книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

13» Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий

^сооружений

_________________________________________

-231-

б

Рис. 13.5. Системы охлаждения а) насосная; б) двухконтурная; в) одноконтурная

1 - элемент охлаждения грунта; 2 - насос; 3 - циркуляционный ресивер; 4 - базовый компрессорно-конденсаторный агрегат;

5 - испаритель-конденсатор; 6 - компрессорно-конденсаторный агрегат с компрессором без смазки

- 2 3 2 -	Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых
	объектов в условиях Севера

Для рассольной системы охлаждения могут быть использованы следующие холодильные машины: ПХС-100, ПХУ-50, ХМ-АВ22/А2, ХМ-АВ22/А1, МКТ40-7-2, МКТ80-7-2, МКТ100- 7-2, МКТ220-7-2, МКТ4-2-0, МКТ20-2-0.

Для двухконтурной системы можно применять следующие компрессорно-конденсаторные агрегаты 1МВВ6-1-2, МВВ4-1-2, МВВ9-1-2, АК40-7-2, АК60-7-2, АК80-7-2.

Для одноконтурной системы необходимо использовать пе­ редвижные компрессорно-конденсаторные агрегаты без цирку­ ляции смазочного масла в системе замораживания, в том числе, поршневые компрессоры без смазки цилиндров.

13.5. Проветриваемые подполья

Для сохранения грунтов оснований в вечномерзлом состоя­ нии, т.е. для стабилизации температурного режима основания на период строительства и эксплуатации широко используются проветриваемые подполья. По режиму охлаждения проветри-- ваемые подполья подразделяются на невентилируемые, венти­ лируемые только в зимний период и вентилируемые в течение круглого года. По конструктивному исполнению подполья вы­ полняются открытыми, огражденными с продухами для провет­ ривания в зимний период холодным воздухом. Продухи могут быть в виде щелей поверху или понизу ограждения подполья; в виде квадратных или прямоугольных окон.

Схема проветриваемого подполья показана на рис. 13.6, 13.7.

Практика строительства и эксплуатации зданий и сооруже­ ний с проветриваемым подпольем на вечномерзлых грунтах по­ казала, что использование проветриваемых подполий ограниче­ но, в основном, шириной здания и районом строительства. В южных районах распространения в ВМГ, где в основном при­ сутствуют пластичномёрзлые грунты, и мерзлота островная, как правило, наряду с устройством проветриваемого подполья, про­ изводится замораживание и охлаждение грунтов с помощью систем температурной стабилизации. Опыт эксплуатации пока­ зал, что проветриваемые подполья можно эффективно исполь­ зовать при ширине зданий с нормальным тепловыделением до

1 - проветриваемое подполье; 2 - перекрытие над подпольем; 3- ограждение подполья с продухами; 4 - свайные фундаменты; 5- насыпь из непучинистого грунта; 6 - крепление откосов насыпи;

7 - водоотводной лоток; 8 - направление движения воздуха в подполье

зданий оснований грунтов стабилизации температурной Методы(З; ^сооружений

-233-

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 3 4 - объектов в условиях Севера

15 м. При большей ширине зданий необходимо выполнение до­ полнительных мероприятий: как то увеличение высоты подпо­ лья, принудительная вентиляция, установка СТС.

Выбор того или иного режима вентилирования определяется теплофизическим расчётом (СНиП 2.02.04-88, Приложение 1).

5

5

Рис. 13.7. Фрагмент схемы ограждения проветриваемого подполья. 1 - ограждение подполья; 2 - крепежный элемент ограждения;

3 - щиты ограждения из профнастила; 4 - продухи;

Jf3^Методытемпературной стабилизации грунтов основании зданий

-2 3 5 -

|t3.6. Вентилируемые охлаждающие трубы, каналы, фундаменты

Сохранение грунтов оснований в мерзлом состоянии можно осуществлять с помощью вентилируемых труб, каналов, уло­ женных под насыпью или в насыпи под зданиями и сооруже­ ниями. В зимнее время холодный воздух, проходя по трубам, охлаждает окружающий их грунт и замораживает его, а затем понижает температуру до твёрдомёрзлого состояния. Возможно охлаждение и замораживание грунтов оснований с помощью пространственных фундаментов из коробчатых элементов с вен­ тилируемыми полостями. На рис. 13.8 приведены различные варианты таких пространственных фундаментов. В зимний пе­ риод через полости производится вентилирование холодного воздуха либо за счёт ветрового напора, либо принудительным способом с помощью вентиляторов.

Вентилируемые трубы, каналы в основании зданий

Горизонтальные вентиляционные каналы с естественным или принудительным движением воздуха нашли наибольшее распространение при строительстве объектов обустройства на ст. Обская, в пос. Ямбург и в городе Якутск и Воркута. Каналы выполняются в виде стальных труб диаметром 325 мм ... 1000мм или железобетонных каналов 1000x500мм ...1500x1500 мм.

Основными недостатками при эксплуатации вентиляцион­ ных каналов, труб и пространственных фундаментов являются:

высокие эксплуатационные затраты на электроэнергию и обслуживающий персонал, обеспечивающий эксплуатацию вен­ тиляторов и электрических систем;

высокие эксплуатационные затраты на периодическую очи­ стку каналов от загрязнений;

низкая надежность системы вентилирования, связанная с загрязнением и затоплением каналов и полостей талыми водами, поломками вентиляторов.

Холодные сваи

Воздушные охлаждающие термоопоры (сваи) рекомен­ дуется использовать в качестве опор линий электропередач, мачт молниезащиты, прожекторных мачт, опор внутриплоща-

Механика мерзлых грунтов н принципы строительства нефтегазовых - 2 3 6 - объектов в условиях Севера

дочных надземных трубопроводов и инженерных коммуни­ каций.

Воздушная термоопора (свая) состоит из герметичного трубчатого корпуса 1, частично выступающая над поверхностью грунта, и направляющего устройства 2, расположенного внутри корпуса (рис. 13.9). Корпусом служит свая диаметром 159- -325 мм, длиной от 6 до 1 Ом (по расчёту).

Рис.13.8. Фундаменты из коробчатых элементов:

а- ленточный; 6 - столбчатый; в - плитный.

1- коробчатый элемент; 2 - вентилируемая полость; 3 - верхний пояс; 4 - нижний пояс; 5 - наклонные элементы; 6 - шорная плита.

|3, Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий

^сооружений____________________________________________ ______________ ______________j _

- 2 3 7 -

2

Рис. 13.9. Схема воздушной термоопоры (сваи).

1 - корпус опоры; 2 - оголовок опоры; 3 - оребрение выступающей части опоры; 4 - направляющие полиэтиленовые трубки; 5 - опорный стержень; 6 - бандаж; 7 - направление движения воздуха;

8 - сезоннооггаивающий слой грунта

Несущие элементы верхней части опоры устанавливаются в зависимости от вида крепления конструкции (стоек линий электропередач, ростверков прожекторных молниезащитных

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - Z 5 о - объектов в условиях Севера

мачт, ростверков под трубопроводы и др.). Направляющее устройство представляет собой двухтрубную систему, состоящую из верхней и нижней направляющих труб, обеспечивающих циркуляцию воздуха. Процесс охлаждения грунта происходит по следующей схеме. В зимний период холодный воздух внутри термоопоры опускается по нижней трубе. В нижней части корпуса термоопоры воздух нагревается за счёт тепла от грунта и поднимается по верхней трубе вверх, Ё выступающей части термоопоры вновь охлаждается. Таким образом, цикл повторяется. Происходит охлаждение и аккумулирование «холода» в грунте, причём процесс охлаждения грунта осуществляется снизу вверх. Это позволяет удерживать опору от сил морозного пучения при промерзании деятельного слоя поверхности. Рекомендуется в корпус заливать небольшое количество воды в объёме 1-1,5 л. Добавка воды обеспечивает образование внутри выступающей части ледяных игл, повышающее теплоотдачу от внешней поверхности в атмосферу.

Натурными наблюдениями работы термоопор (свай) из труб диаметром 219мм установлено, что за зимний период во­ круг корпуса намораживается грунт размером до 1,5 - 1,8м. Спо­ соб погружения термоопор - только бурооопускной.

13.7. Сезоннодействующие охлаждающие устройства (СОУ)

В настоящее время строительство зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов ведется, как правило, с использованием сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ), позволяющих в зимний период заморозить талые и понизить температуру пластичномерзлых грунтов. Се­ зоннодействующие охлаждающие устройства, в зависимости от вида теплоносителя подразделяются:

устройства с однофазным теплоносителем; устройства с двухфазным теплоносителем.

СОУ представляют собой тепловую трубу гравитационного типа, внутри которой происходят процессы тегоюмассопереноса. В качестве теплоносителей СОУ используются: в устройст­

;j3;Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий ^Сооружении______________________________________________________________ - Л 5 у -

вах с однофазным теплоносителем незамерзающие жидкости - кфосин, дизельное топливо и др.; в устройствах с двухфазным теплоносителем - аммиак, пропан, фреон-12, фреон-22, углеки­ слота.

СОУ могут быть вертикальные, наклонные слабо наклон­ ные, почти горизонтальные по их расположению на строитель­ ной площадке.

Замораживание таликов и охлаждение пластичномёрзлых грунтов происходит в зимний период без энергетических затрат, за счёт использования естественного холода. Условием работы СОУ (активный режим) является наличие разности отрицатель­ ной температуры воздуха и грунта. Если температура воздуха ниже, чем температура грунта он работает, происходит процесс ■циркуляции теплоносителя, если наоборот, СОУ замыкаются (пассивный период).

В течение 2 - 2,5 месяца в зимний период достигается соз­ дание в основании сооружения, по всей площади контура, низ­ котемпературного массива. Каждый последующий год происхо­ дит накопление холода в основании здания. При соблюдении проектной технологии погружения свай и известной температу­ ре; замеренной в процессе строительства и эксплуатации здания, с высокой степенью достоверности можно рассчитать несущую "способность любого фундамента под сооружением на любой период времени в течение года. Более того, можно прогнозиро­ вать изменение несущей способности грунта при изменении граничных условий взаимодействия системы сооруже- ние-атмосфера-грунт.

Ежегодное накопление холода в основании зданий соору­ жений обеспечивает надёжность основания и при значительных Изменениях температурного режима окружающего воздуха, на­ пример, в процессе наступления глобального потепления клима­ та. Глобальное потепление климата вызовет изменения в струк­ туре вечномерзлых грунтов. Не вдаваясь в теоретические осно­ вы процессов формирования вечномёрзлых грунтов, отметим, что при глобальном потеплении климата оттаивание их будет происходить, начиная с нижней границы. Постепенно будет уменьшаться мощность вечномёрзлых грунтов. Как правило, толща вечномёрзлых грунтов ниже 10-15м малольдиста и при оттаивании этой толщи не возникает осадок. Однако, у дневной

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 4 0 - объектов в условиях Севера

поверхности, на границе атмосфера-грунт повышение среднего^ довой температуры воздуха на 2-3°С (как предполагается при глобальном потеплении климата) не вызовет существенного из­ менения температур в верхней толще льдонасыщенной мерзло­ ты в пределах 10-15м глубины. Это строительная глубина, в пределах которой располагаются фундаменты, инженерные коммуникации.

При этом желательно, чтобы глубина этой зоны охватывала всю толщу льдосодержащего мёрзлого грунта.

Индивидуальные сезогтоодействующие охлаждающие СОУ

Устройства с однофазным теплоносителем. В устройст­ вах с однофазным теплоносителем в качестве рабочего тепа обычно применяют незамерзающую жидкость (жидкостные уст­ ройства) или газ (газовые, в частности, воздушные устройства)! Эти устройства имеют замкнутый циркуляционный контур.

Простейшим представителем их является устройство (рис 13.10, а), выполненное в виде герметично закрытой трубы, час­ тично погруженной в грунт и заполненной жидкостью незамер­ зающей при температурах до минус 50-60°С. Работоспособность таких установок низка из-за возникновения множества коротких циркуляционных контуров по глубине, резко снижающих эф­ фективность продольного теплопереноса. Особенно сильное смешение происходит в зоне перераспределения потоков на уровне деятельного слоя грунта, где нисходящий холодный по­ ток перетекает в центр канала подземной части, а восходящий теплый поток - в центр канала надземной части.

Этот недостаток устраняют двух- и многотрубные конст­ рукции (рис 13.10, б) и однотрубные с внутренней циркуляци­ онной трубой (рис 13.10, в). Восходящие и нисходящие потоки, возникающие за счет естественной разности температур в этих устройствах разделены конструктивно. Однако восходящие по­ токи в них охлаждаются воздухом, а нисходящие нагреваются грунтом, что существенно снижает общий перепад температур, обусловливающий движущую силу потоков, ухудшает продоль­ ный теплоперенос и теплообмен со стенками СОУ.