RU210563U1

RU210563U1 - GABION-DIOD

Info

Publication number: RU210563U1
Application number: RU2021130215U
Authority: RU
Inventors: Вадим Васильевич Пассек; Геннадий Мортхович Поз; Сергей Сергеевич Воробьев; Вячеслав Вадимович Пассек
Original assignee: Вадим Васильевич Пассек; Геннадий Мортхович Поз; Сергей Сергеевич Воробьев; Вячеслав Вадимович Пассек
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для охлаждения грунтов оснований инженерного сооружения в районах вечной мерзлоты. Известен габион, который выполнен в виде корпуса из проволочной сетки и заполнен в виде крупного камня размером 20-40 см. Покрытие, например насыпи, из таких габионов в зимний период работает как каменная наброска, при этом увеличенный поток холода в грунты обеспечивается конвекцией воздуха в порах между камнями. Недостаток такой конструкции заключается в том, что заполнитель - камни - по размеру имеют большое различие, а по форме вообще не нормируются. В связи с этим невозможно точно прогнозировать охлаждающий эффект.Предлагается конструкция габиона, в которой корпус так же, как и в прототипе, выполнен из проволочной сетки, ориентирована в направлении «верх-низ» и содержит заполнитель в виде пар щитков, при этом низ щитков каждой пары сближен по направлению друг к другу. Щитки фиксированы с помощью опорных, ограничительных и разделительных стержней. Такое положение щитков позволяет свободно формироваться восходящим и нисходящим потокам воздуха в зимний период.Эффективность предложенной конструкции заключается в обеспечении стабильности (одинаковости) процесса конвекции и возможности более четкой прогнозируемости ее результатов.The utility model relates to devices for cooling the soils of the foundations of an engineering structure in permafrost regions. A gabion is known, which is made in the form of a wire mesh body and is filled in the form of a large stone 20–40 cm in size. pores between stones. The disadvantage of this design is that the filler - stones - have a large difference in size, and are not standardized at all in shape. In this regard, it is impossible to accurately predict the cooling effect. A gabion design is proposed in which the body, as in the prototype, is made of wire mesh, oriented in the "top-bottom" direction and contains a filler in the form of pairs of shields, while the bottom of the shields each pair is close to each other. The guards are fixed with support, restrictive and separating rods. This position of the flaps allows free formation of ascending and descending air currents in the winter period. The effectiveness of the proposed design lies in ensuring the stability (uniformity) of the convection process and the possibility of more accurate predictability of its results.

Description

Полезная модель относится к устройствам для охлаждения грунтов оснований инженерных сооружений в районах вечной мерзлоты.The utility model relates to devices for cooling the soils of the foundations of engineering structures in permafrost regions.

Известен габион, состоящий из корпуса и заполнения, при этом корпус выполнен пустотелым и содержит два основания, две боковые и две торцевые стенки, причем основания и стенки выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки, скрепленных в узлах пересечения, при этом основания имеют форму прямоугольника, а боковые и торцевые стенки являются вертикальными (Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ 59287-2020 «Изделия из панелей для габионных конструкций. Технические условия»). Корпус выполнен из панелей из плетеной одинаковой сетки высокой прочности и заполняется камнем. На наиболее ответственных сооружениях используют каменные материалы изверженных (базальт, гранит, диабаз, диорит и т.п.) и метаморфических пород. Они должны удовлетворять определенным характеристикам: средняя плотность камня, насыпная плотность каменного материала, минимальный размер камня, прочность на сжатие каменного материала, морозостойкость камня и др. Габион предназначен для защиты сооружений, стабилизации и укрепления грунтов, армирования грунтов, укрепления склонов, насыпей, откосов берегов, водоемов и проч.A gabion is known, consisting of a body and filling, while the body is made hollow and contains two bases, two side and two end walls, and the bases and walls are made of intersecting rows of wire fastened at the intersections, while the bases have the shape of a rectangle, and the side and end walls are vertical (National standard of the Russian Federation GOST 59287-2020 "Panel products for gabion structures. Specifications"). The hull is made of high strength woven mesh panels and is filled with stone. The most critical structures use stone materials of igneous (basalt, granite, diabase, diorite, etc.) and metamorphic rocks. They must meet certain characteristics: the average density of the stone, the bulk density of the stone material, the minimum size of the stone, the compressive strength of the stone material, the frost resistance of the stone, etc. Gabion is designed to protect structures, stabilize and strengthen soil, reinforce soil, strengthen slopes, embankments, slopes coasts, ponds, etc.

Недостаток такого габиона в том, что он не может быть использован для охлаждения грунтов в основании сооружений на вечной мерзлоте, поскольку заполнитель - несортированный камень, в котором не может быть сквозных по вертикали полостей для циркуляции воздуха в зимний период.The disadvantage of such a gabion is that it cannot be used to cool soils at the base of structures on permafrost, since the filler is an unsorted stone in which there cannot be vertically through cavities for air circulation in winter.

Известен габион, состоящий из корпуса и заполнения, при этом корпус выполнен пустотелым и содержит два основания, две боковые и две торцевые стенки, причем основания и стенки выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки, скрепленных в узлах пересечения, при этом основания имеют форму прямоугольника, а боковые и торцевые стенки являются вертикальными (Патент RU №2744541C1. Дорожная насыпь на вечной мерзлоте). Заполнитель - камни размером 10-40 см. Теплопроводность габиона в вертикальном направлении определяется кондуктивной и конвективной составляющими. В зимний период холодный воздух по порам между камнями перемещается вниз, одновременно усиливая теплообмен. В теплый период года конвекция прекращается. Технический результат состоит в обеспечении стабилизации температурного режима вечномерзлых грунтов в основании сооружения.A gabion is known, consisting of a body and filling, while the body is made hollow and contains two bases, two side and two end walls, and the bases and walls are made of intersecting rows of wire fastened at the intersections, while the bases have the shape of a rectangle, and the side and end walls are vertical (Patent RU No. 2744541C1. Road embankment on permafrost). The filler is stones 10-40 cm in size. The thermal conductivity of the gabion in the vertical direction is determined by the conductive and convective components. In winter, cold air moves down through the pores between the stones, at the same time enhancing heat transfer. During the warm season, convection stops. The technical result consists in ensuring the stabilization of the temperature regime of permafrost soils at the base of the structure.

Недостаток такой конструкции заключается в том, что заполнитель - камни - по размеру имеют большое различие, а по форме вообще не нормируются. В связи с чем кондуктивная составляющая (передача тепла от камня к камню) летом может оказаться весьма существенной и пропускать тепло в основание сооружения, а зимой по той же причине трудно будет обеспечить заданную конвективную составляющую, т.е. будет иметь место разброс основных теплофизических характеристик.The disadvantage of this design is that the filler - stones - have a large difference in size, and are not standardized at all in shape. In this connection, the conductive component (heat transfer from stone to stone) in summer can be very significant and pass heat to the base of the structure, and in winter, for the same reason, it will be difficult to provide a given convective component, i.e. there will be a scatter of the main thermophysical characteristics.

Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение прогнозируемой величины и конвективной и кондуктивной составляющих теплопроводности, что позволит с достаточной точностью прогнозировать температурный режим грунтов оснований сооружений на вечной мерзлоте.The purpose of the proposed utility model is to provide a predictable value and the convective and conductive components of thermal conductivity, which will allow to predict with sufficient accuracy the temperature regime of the soils of the foundations of structures on permafrost.

Поставленная цель достигается тем, что габион состоит из корпуса и заполнения, при этом корпус выполнен пустотелым и содержит два основания, две боковые и две торцевые стенки. Основания и стенки выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки, скрепленных в узлах пересечения, при этом основания имеют форму прямоугольника, а боковые и торцевые стенки являются вертикальными. Габион ориентирован в вертикальном направлении «верх-низ», при этом заполнение выполнено из двух опорных стержней, двух ограничительных стержней, «n» групп разделительных стержней и «n» пар направляющих щитков. Опорные и ограничительные стержни расположены в продольном направлении соответственно в нижней и верхней частях полости корпуса на расстоянии «с» от его оснований и боковых стенок. Каждая группа разделительных стержней содержит четыре пары разделительных стержней, расположенных вертикально и на расстоянии «с» от боковых стенок и образующих на пересечении с опорными и ограничительными стержнями три внутренних ограничительных пространства, в двух крайних из которых в поперечном направлении габиона расположены направляющие щитки, которые ориентированы нижними частями по направлению друг к другу. Ширина щитков равна диагонали «d» внутреннего ограничительного пространства, а их длина равна расстоянию «b» между боковыми стенками корпуса. Длина опорных и ограничительных стержней равна длине «L» корпуса, а высота разделительных стержней равна его высоте, при этомThis goal is achieved in that the gabion consists of a body and filling, while the body is made hollow and contains two bases, two side and two end walls. The bases and walls are made of intersecting rows of wire fastened at the intersections, while the bases are rectangular in shape, and the side and end walls are vertical. The gabion is oriented in the vertical direction "top-bottom", while the filling is made of two support rods, two restrictive rods, "n" groups of dividing rods and "n" pairs of guide plates. The support and restrictive rods are located in the longitudinal direction, respectively, in the lower and upper parts of the housing cavity at a distance "c" from its bases and side walls. Each group of dividing rods contains four pairs of dividing rods located vertically and at a distance "c" from the side walls and forming three internal restrictive spaces at the intersection with the support and restrictive rods, in the two extreme of which in the transverse direction of the gabion there are guide plates that are oriented lower parts towards each other. The width of the shields is equal to the diagonal "d" of the inner bounding space, and their length is equal to the distance "b" between the side walls of the housing. The length of the support and restrictive rods is equal to the length "L" of the body, and the height of the separation rods is equal to its height, while

где

where

- расстояние в продольном направлении между соседними парами разделительных стержней и между торцевой стенкой габиона и смежной парой разделительных стержней, м;

- distance in the longitudinal direction between adjacent pairs of dividing rods and between the end wall of the gabion and an adjacent pair of dividing rods, m;

h - высота габиона, м;h - gabion height, m;

е - расстояние по вертикали между ограничительными и опорными стержнями, м;e is the vertical distance between the restrictive and supporting rods, m;

r, m, k - поправочные коэффициенты, учитывающие местные условия.r, m, k - correction factors taking into account local conditions.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, гдеThe essence of the utility model is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 представлено продольное сечение габиона в вертикальной плоскости, сечение В-В на фиг. 2;in fig. 1 shows a longitudinal section of a gabion in a vertical plane, section B-B in FIG. 2;

на фиг. 2 представлено продольное сечение габиона в горизонтальной плоскости, сечение А-А на фиг. 1;in fig. 2 shows a longitudinal section of a gabion in a horizontal plane, section A-A in FIG. one;

на фиг. 3 представлено поперечное сечение габиона, сечение Б-Б на фиг. 2;in fig. 3 shows a cross section of the gabion, section B-B in Fig. 2;

на фиг. 4 представлен характер движения восходящих и нисходящих потоков воздуха в зимний период в сечении В-В на фиг. 2.in fig. 4 shows the nature of the movement of ascending and descending air flows in the winter period in the section B-B in FIG. 2.

Габион состоит из корпуса 1 и заполнения. Корпус содержит верхнее 2 и нижнее 3 основания, две боковые стенки 4, две торцевые стенки 5, имеет вид прямоугольника, а боковые и торцевые стенки вертикальные. Основания и стенки выполнены из перекрещивающихся рядов проволоки 6. Габион ориентирован в направлении «верх-низ». Заполнение выполнено из двух опорных стержней 7, из двух ограничительных стержней 8, из «n» групп разделительных стержней 9 и из «n» пар направляющих щитков 10. Опорные 7 и ограничительные 8 стержни расположены в продольном направлении соответственно в нижней и верхней частях полости корпуса на расстоянии «с» от его оснований 2 и 3 и боковых стенок 4.The gabion consists of body 1 and filling. The housing contains the top 2 and bottom 3 bases, two side walls 4, two end walls 5, has the form of a rectangle, and the side and end walls are vertical. The bases and walls are made of intersecting rows of wire 6. The gabion is oriented in the "top-bottom" direction. Filling is made of two support rods 7, of two restrictive rods 8, of "n" groups of dividing rods 9 and of "n" pairs of guide plates 10. Support 7 and restrictive 8 rods are located in the longitudinal direction, respectively, in the lower and upper parts of the housing cavity at a distance "c" from its bases 2 and 3 and side walls 4.

Каждая группа разделительных стержней 9 (на фиг. 1 и 2 габион содержит 2 группы) содержит четыре пары разделительных стержней, расположенных вертикально и на расстоянии «с» от боковых стенок, при этом в каждой группе при пересечении разделительных 9, опорных 7 и ограничительных 8 стержней образуется три внутренних ограничительных пространства 11 в виде прямоугольных параллелепипедов. В двух крайних пространствах 11 расположены направляющие щитки 10, которые ориентированы нижними сторонами по направлению друг к другу. Ширина направляющих щитков равна диагонали «d» внутреннего ограничительного пространства 11, т.е.

(см. фиг. 1 и 3), где r - поправочный коэффициент, равный 0,9÷0,95, который учитывает толщину стрежней 7, 8, 9 (все размеры даны по оси стержней, а направляющие щитки 10 расположены в полости, образованной внутренними поверхностями стержней). Наилучшее положение направляющих щитков - 45° (из опытных данных), отсюда формируется формула, характеризующая соотношение величин «a» и «h»;Each group of dividing rods 9 (in Fig. 1 and 2 the gabion contains 2 groups) contains four pairs of dividing rods located vertically and at a distance "c" from the side walls, while in each group at the intersection of dividing 9, supporting 7 and restrictive 8 rods, three internal bounding spaces 11 are formed in the form of rectangular parallelepipeds. In the two outer spaces 11 there are guide plates 10 which are oriented with their lower sides towards each other. The width of the guide plates is equal to the diagonal "d" of the inner boundary space 11, i. e.

(see Fig. 1 and 3), where r is a correction factor equal to 0.9 ÷ 0.95, which takes into account the thickness of the rods 7, 8, 9 (all dimensions are given along the axis of the rods, and the guide plates 10 are located in the cavity, formed by the inner surfaces of the rods). The best position of the guide plates is 45 ° (from experimental data), from here a formula is formed that characterizes the ratio of the values \u200b\u200bof "a" and "h";

где h - высота габиона, м,where h - gabion height, m,

m - поправочный коэффициент, учитывающий местные условия: m=1,0 при угле наклона 45°. В практике этот угол рекомендуется примерно в пределах 40-50°, что соответствует значению коэффициента "m"m - correction factor taking into account local conditions: m=1.0 at an angle of inclination of 45°. In practice, this angle is recommended approximately in the range of 40-50°, which corresponds to the value of the coefficient "m"

где е - расстояние по вертикали между ограничительными и опорными стержнями, м.where e is the vertical distance between the restrictive and supporting rods, m.

Длина габиона определяется из условия, что на каждую группу разделительных стержней (с учетом просвета между смежными группами) приходится

(фиг. 1), плюс на весь габион еще один интервал «а», итогоThe length of the gabion is determined from the condition that for each group of dividing rods (taking into account the clearance between adjacent groups)

(Fig. 1), plus one more interval “a” for the entire gabion, total

Ширина габиона «b» и высота «h» назначаются в общем случае произвольно, исходя из удобства изготовления и монтажа, при этом b=f+2 с, h=е+2 с (фиг. 3),The width of the gabion "b" and the height "h" are generally assigned arbitrarily, based on the convenience of manufacturing and installation, while b=f+2 s, h=e+2 s (Fig. 3),

где

- расстояние по горизонтали между опорными стержнями и расстояние по горизонтали между ограничительными стержнями (фиг. 3), м.where

- horizontal distance between the support rods and horizontal distance between the restrictive rods (Fig. 3), m.

Исходя из анализа перспектив применения габионов, их размеры наиболее целесообразно назначать следующими:Based on the analysis of the prospects for the use of gabions, it is most expedient to assign their sizes as follows:

Расстояние «с» определяется прежде всего необходимостью перемещения воздуха из одного ограничительного пространства в другое (фиг. 4). Рациональным значением «с» будет 0,2h (из опытных данных). Т.е. с=0,2kh, где 0,9≤k≤,1. С другой стороны, расстояние «с» в боковом направлении (для простоты оно принимается равным первому значению, т.е. с=0,2kh) от боковой стенки до опорных 7 и ограничительных 8 стержней необходимо для осуществления монтажа щитков 10.The distance "c" is determined primarily by the need to move air from one confining space to another (Fig. 4). The rational value of "c" will be 0.2h (from experimental data). Those. c=0.2kh, where 0.9≤k≤.1. On the other hand, the distance "c" in the lateral direction (for simplicity, it is taken equal to the first value, i.e. c=0.2kh) from the side wall to the support 7 and restrictive 8 rods is necessary for the installation of shields 10.

Габион работает следующим образом. При необходимости стабилизировать или понизить температуру грунта в основании инженерного сооружения непосредственно на грунт устанавливается покрытие из габионов. При этом верхняя поверхность покрытия граничит с наружным воздухом, а нижняя - с грунтами оснований. В зимний период температура «t_в» наружного воздуха ниже температуры «t_н» поверхностного грунта. Поскольку холодный воздух становится более тяжелым, он стремится вниз по направлению 12 (фиг. 4), вытесняя теплый воздух, который по направлению 13 поднимается вверх, далее охлаждается у верхней поверхности габиона и снова по направлению 12 опускается вниз. Таким образом, начинается конвекция воздуха, которая интенсивно переносит холод вниз - в фунты основания. В летний период t_в>t_н, и конвекция прекращается. Другими словами, образуется тепловой диод. В результате использования габионов существенно увеличиваются возможности охлаждения грунтов.Gabion works as follows. If it is necessary to stabilize or lower the soil temperature at the base of an engineering structure, a gabion coating is installed directly on the soil. At the same time, the upper surface of the coating borders on the outside air, and the lower surface - on the foundation soils. In winter, the temperature "t _in " of the outside air is lower than the temperature "t _n " of the surface soil. Since the cold air becomes heavier, it tends down in direction 12 (Fig. 4), displacing warm air, which rises in direction 13, then cools at the upper surface of the gabion and again falls down in direction 12. Thus, air convection begins, which intensively carries the cold down - into the pounds of ground. In summer, t _in >t _n , and convection stops. In other words, a thermal diode is formed. As a result of the use of gabions, the possibilities of soil cooling increase significantly.

Предложенное техническое решение решает следующее техническое противоречие. В прототипе в качестве заполнения габиона применен сортированный камень, т.е. использована теория охлаждающего влияния каменной наброски, которая была разработана Г.П. Минайловым (Т.П. Минайлов. Способы понижения температуры вечномерзлых грунтов на железных и автомобильных дорогах путем применения каменной наброски. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ОАО ЦНИИС. М. 2003). Рекомендации по применению каменной наброски даны в нормативном документе (СП 354.1325800.2017 «Фундаменты опор мостов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов». М. Стандартинформ. 2018, Приложение Е) как теплового диода второго типа. Сочетание идеи каменной наброски и идеи габиона позволяет существенно увеличить возможности вариантов охлаждения, поскольку сортированный камень, уложенный в жесткую форму (модуль), позволяет из этих модулей создавать различные пространственные сочетания. Недостатком известного габиона (прототипа) является то, что крупный камень (размера 20-40 см) не очень хорошо может уложиться в правильный ящик с размерами от 0,5 до 1,0 м: будет выступать за пределы габарита ящика. Попытки применить более мелкий камень резко снижает охлаждающую способность. Вторым недостатком прототипа является то, что камень неоднороден, поэтому трудно прогнозировать размеры полостей и, следовательно, охлаждающий эффект. Таким образом, с одной стороны, применение габионов резко повышает охлаждающие возможности каменной наброски, а с другой - уменьшение размера камня резко снижает охлаждающий эффект. Выход из этого противоречия лежит в создании эффекта каменной наброски другими средствами: создании конвекции с помощью направляющих щитков.The proposed technical solution solves the following technical contradiction. In the prototype, sorted stone is used as a filling of the gabion, i.e. the theory of the cooling effect of rockfill was used, which was developed by G.P. Minailov (T.P. Minailov. Methods for lowering the temperature of permafrost soils on railways and roads by using rock placement. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. JSC TsNIIS. M. 2003). Recommendations for the use of rock placement are given in the regulatory document (SP 354.1325800.2017 "Foundations of bridge supports in permafrost areas". M. Standartinform. 2018, Appendix E) as a thermal diode of the second type. The combination of the riprap idea and the gabion idea can significantly increase the possibilities of cooling options, since sorted stone, laid in a rigid form (module), allows you to create various spatial combinations from these modules. The disadvantage of the known gabion (prototype) is that a large stone (20-40 cm in size) can not fit very well into the correct box with dimensions from 0.5 to 1.0 m: it will protrude beyond the size of the box. Attempts to use a smaller stone drastically reduces the cooling capacity. The second disadvantage of the prototype is that the stone is not uniform, so it is difficult to predict the size of the cavities and, consequently, the cooling effect. Thus, on the one hand, the use of gabions sharply increases the cooling capacity of the riprap, and on the other hand, a decrease in the size of the stone sharply reduces the cooling effect. The way out of this contradiction lies in the creation of the effect of rockfill by other means: the creation of convection with the help of guide plates.

Эффективность применения предлагаемого технического решения заключается в обосновании прогнозируемой величины и постоянства конвективной и кондуктивной составляющих теплопроводности, что позволит с достаточной точностью прогнозировать температурный режим грунтов оснований сооружений на вечной мерзлоте. Другими словами, один раз экспериментально оценив охлаждающие возможности габиона, можно с уверенностью закладывать в расчеты прогноза.The effectiveness of the application of the proposed technical solution lies in the substantiation of the predicted value and constancy of the convective and conductive components of thermal conductivity, which will make it possible to predict with sufficient accuracy the temperature regime of the soils of the foundations of structures on permafrost. In other words, once experimentally evaluating the cooling capabilities of the gabion, it can be confidently included in the forecast calculations.

Claims

Gabion consisting of a body and filling, while the body is made hollow and contains two bases, two side and two end walls, and the bases and walls are made of intersecting rows of wire, fastened at the intersections, while the bases have the shape of a rectangle, and the side and the end walls are vertical, characterized in that it is oriented in the vertical direction "top-bottom", while the filling is made of two support rods, two restrictive rods, "n" groups of separation rods and "n" pairs of guide plates, while the support and restrictive rods are located in the longitudinal direction, respectively, in the lower and upper parts of the housing cavity at a distance "c" from its bases and side walls, while each group of separating rods contains four pairs of separating rods located vertically and at a distance "c" from the side walls and forming at the intersection with the support and restrictive rods three inside lower bounding spaces, in the two outermost of which in the transverse direction of the gabion there are guide plates, which are oriented with their lower parts towards each other, and the width of the plates is equal to the diagonal "d" of the inner bounding space, and their length is equal to the distance "b" between the side walls body, while the length of the support and restrictive rods is equal to the length "L" of the body, and the height of the separation rods is equal to its height, while

where

h - gabion height, m;

e is the vertical distance between the restrictive and supporting rods, m;

r, m, k - correction factors taking into account local conditions.