УДК 692.115

Технологии термостабилизации пучинистых грунтов

Окольникова Галина Эриковна – кандидат технических наук, доцент кафедры Инженерной академии департамента Строительства Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы

Симоненко Егор Юрьевич – магистрант Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы 

Аннотация: В статье представлены технологии термостабилизации мёрзлых пучинистых грунтов для строительства объектов в северных широтах, показана применимость технологий при строительстве объектов разного назначения. Приведена систематизация термостабилизаторов (ТСГ) и показаны основные разновидности в зависимости от принципа работы, типа хладагента, ориентации в пространстве, материала изготовления корпуса и конструктивных особенностей. Сделан вывод о преимуществах и недостатках технологии с использованием термостабилизаторов для мёрзлых пучинистых грунтов.

Ключевые слова: пучинистый грунт, термостабилизация, термосвая, термостабилизатор, термосифон.

Типы фундаментов, возводимые на мёрзлых пучинистых грунтах

Фундаменты зданий и сооружений, возводимые на мерзлых пучинистых грунтах, необходимо проектировать на основании результатов инженерно-геокриологических изысканий, выполненных согласно требованиям действующих строительных правил, государственных стандартов и других нормативных документов геоизысканий, и обследованию грунтовых массивов для планируемого строительства, обязательно учитывая особенности конструкций и условий работы проектируемых объектов строительства, включая: термического и механического взаимодействия объектов с грунтовыми массами основания; размеров, типов конструкций и действующих давлений на основания.

На мерзлых пучинистых грунтах применяются свайные, столбчатые, ленточные и пространственные фундаменты. Широкое распространение получили фундаменты, возведенные из металлических свай и свай из железобетона.

Способы погружения, применяемые в мерзлых пучинистых грунтах, делятся на основные группы: буроопускные, опускные, бурозабивные, бурообсадные, буронабивные.

Отличительной чертой возведения сооружений на мерзлых пучинистых грунтах есть наличие охлаждающих устройств, которые должны обеспечить сохранность мерзлотных условий в их основании. Такими устройствами оснащаются все здания, возводимые с сохранением мерзлого состояния грунтов в их основании. В роли охлаждающих устройств используются проветриваемые воздухом подполья, проветриваемые трубы или каналы, проветриваемые подсыпки, теплоизоляционные прослойки,  вертикально установленные и горизонтально установленные термо-сифоны [1].

Вентиляционные подполья – наиболее популярный тип устройства из-за простоты своей кострукции и надежности работы (рисунок 1). Вентиляция подполья наружным воздухом осуществляется за счет ветрового напора через вентиляционные отверствия в цоколе здания или через щель между ростверком фундамента и поверхностью грунта (в случае подполья с открытым цоколем).

По режиму охлаждения проветриваемые подполья делятся на невентилируемые, вентилируемые только в зимний период и вентилируемые круглогодично. По конструктивному исполнению проветриваемого подполья, как правило, выполняют либо открытыми со всех сторон с нетеплопроводными и непродуваемыми полами, либо закрытыми с боковыми вентиляционными отверстиями (продухами), размеры которых определяются методом расчета, исходя из условий выноса всего тепла, выделяемого полом здания [2].

Рисунок 1– Вентилируемое подполье здания: 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.

Обычно, для зданий и сооружений, имеющих большие размеры в плане иногда сложно применять вентилируемое подполье. В этом случае приходится прибегать к следующему способу –  применению охлаждающих подземных устройств, например, прокладке труб, каналов и прочих, охлаждаемых наружным воздухом и т.д. Трубы (каналы) размещают в подсыпке из крупноскелетного материала, по поверхности которой располагают пол здания. Диаметр труб обычно принимают 0,1-0,3 м, расстояние между трубами – 0,5-3,0 м, глубина заложения труб – 0,5-1,5 м. Объединение трубок происходит с помощью патрубков, их диаметр принимают в соответствии с пропускной способностью вентиляционной системы. Укладка труб производится вдоль поперечных осей сооружения и не выходя за слой межсезонного оттаивания.

Коллектора и трубки имеют уклон 0,01 для стока воды, которая формируется при оттавиваний иния и льда в трубах в теплое время.

Для снижения теплового потока от сооружений в мерзлые грунты оснований могут также использоваться теплоизоляционные материалы. На сегодняшний день наилучшими из которых по теплофизическим и физико-механическим характеристикам являются различные модификации твердого экструдированного полистирола: Пеноплекс, Стиродур, Урса и другие. Следует заметить, что теплоизоляция выступает в роли пассивного термостабилизатора, то есть ее использование только замедляет процесс теплопередачи в мерзлый грунт, а не исключает его. Поэтому теплоизоляцию нужно применять в комплексе с активными термостабилизаторами: вентилируемым подпольем, каналами, трубами, СОУ.

В наше время для реализации проектной несущей способности фундаментов из свай путем быстрого глубинного охлаждения и снижения температур пучиничтых вечномерзлых грунтов Крайне-Северных условиях все чаще используются термостабилизаторы.

Способы  возведения оснований и фундаментов с применением устройств-термостабилизаторов грунта

Чтобы строить на пучинистых мерзших грунтах и сохранить свойства и несущие характеристики при эксплуатации теплых  сооружений, обеспечивя способность проектную несущую фундаментов из свай путем быстрого глубинного охлаждения и снижения температурного режима грунтов в Крайне-Северных условиях инженеры-строители используют термостабилизаторы (термосифоны). Большое распространение в СССР метода охлаждения земляных масс с помощью сезонных саморегулирующихся термосвай началась в 1960-х гг. Гапеев С.И. предложил использовать установку с жидким хладагентом, в роли которой выступал керосин. Немного позже в Соединенных Штатах Америки Э. Лонгом [3] была создана парожидкостная термосвая, технологию которой достаточно широко стали примененять в США и Канаде. Позже к разработкам и усовершенствований конструкций паровых жидкостных термо-сифонов приступили НИИ СССР и уже Российская Федерация.

Эффектным методом увеличения или сохранения мерзшего состояния земли в основании построек есть применение пониженного температурного режима наружного воздуха при помощи паро-жидкостных уствновок [4], именуемых термостабилизаторами, применение которых началось еще с шестидесятых годов [5-10].

ТСГ позволяют:

• уменьшить сроки строительства сооружений на фоне околовялой мерзлоты ;
• снизить воздействия сил пучения грунта;
• строить сооружения избегая вентилируемых подполов на мерзлоте с высокими температурами;
• использовать противофильтрационные завесы для предотвращения подтопления дамбах и плотинах водохранилищ.

Для повышения несущей способности фундаментов и оснований эффективным способом усиления или поддержания мерзлого состояния грунта в основаниях сооружений является применение низких температур наружного воздуха при помощи парожидкостных термосифонов, именуемых термостабилизаторами.

Устройство и работа термостабилизаторов

Термостабилизаторы представляют из себя загерметизированные сосуды из металла, наполненные легко закипащим хладогентом, которые состоят из 3-х секций (схема изображена на рисунке 2):

• испаритель – участок, опущенный в грунт, в котором идёт процесс теплообмена. В процессе теплообмена хладон превращается в пар и возвышается в конденсатор;
• транспортировочгый участок – там происходит транспорт разделенных потоков жидкоистной и паровой фазы хладогента. Чтобы избежать потерь тепла в сезонном слое данная секция заизолирована;
• воздушный конденсатор – расположен в отрытой местности. Он представляет собой одну или нескол теплообменивающих трубок с ребристой поверхностью внешне для эффективного увеличения процесса теплообмена [11].

  

Рисунок 2. Работа ТСГ. Принцип действия термостабилизаторов квалифицируется как гравитеплотрубы.

При снижении температурного режима воздуха в атмосфере по отношению к температуре грунта на 8-10°С термостабилизаторы запускаются в работу. Когда происходит разница давлений конденсатора и испарителя, закипает жидкий хладагент, который  находится в испарительной секции. Происходит процесс отбора тепловой энергии из грунта. После этого следует фазовый переход жидкого хладагента в пар. В воздушный конденсатор поднимаются Насыщенные пары хладагента и конденсируются на его внутренней поверхности выделяя тепловую энергию, которая отводится с конденсатора естественным обдувом. По достижению температуры, близкой к температуре атмосферного воздуха, сконденсированный жидкий хладон опускается обратно в испаритель под действием сил гравитации. Дойдя до испарителя, жидкий хладон, продвигаясь вниз нагревается и закипает из-за разности температуры стенок испарителя и собственной, переходит в парообразное состояние и поднимается в конденсатор.

Цикл повторяется, пока давление в конденсаторе не превысит давления в испарителе. Это происходит в период весна/лето, когда термостабилизаторы переходят в пассивный рабочий режим.

Учитывая инженерно-геологические характеристики местности, фундаментые конструкции, особенности системной работы «основание-сооружение» используются разные виды ТСГ. На сегодняшний день применяют конструкции, такие как: вертикально-установленные ТСГ, длина которых около 21 метра (рисунок 3а); вертикально установленные мелкогабаритные ТСГ с \/-образным конденсатором, где длина испарителя достигает до 12 м (рисунок 3б); вертикально-глубинные ТСГ с развитым конденсатором длиной до 60 м (рисунок 3в); мелконаклонные ТСГ, в которых диаметр  зоны испарения  38 мм и длина не более 16 м (рисунок 3г); системы слабонаклонные ТСГ, где диаметр  зоны испарения 76 мм и длина не более 60 м. Так же имеется площадка обслуживания, которая увеличивает показатели эксплуатации этих систем (рисунок 3д) [12].

Рисунок 3. Конструкции ТСГ.

Термостабилизатор грунта вертикально-установленный  (ТСГВ) используется для:

• восстановления мерзлых пучиничтых грунтов в основании сооружений, построенных по I принципу;
• предпостроечного замораживания грунтов в основании сооружений; - замораживания грунтовых масс основания в ходе строительства и последующей эксплуатации;
• возведения фундаментов промышленных и гражданских строений;
• устройства фундаментов линейных сооружений;
• создания противофильтрационных завес;
• сохранения устойчивости газодобывающих и нефтедобывающих скважин и стволов в шахтах ;
• создания противфильтрационных ядер в теле дамб и льдогрунтовых стен на проходке котлована и траншей.

Наиболее массовое использование этих ТСГ приходится дабы снизить температуру грунтовых масс до минусовых температур чтобы увеличить несущую способность фундаментов из свай и предотвращения выпучивания свай.

Одна из нескольких основных проблем эксплуатирования линейных объектов, в частности надземныих газопроводов – это действие сил морозного пучения пылеватых песков, супесей и суглинков. Данное воздействие на «слабо нагруженные» сваи влечет за собой деформацию объекта из-за неравномерного «выпучивания» свай из грунта.

Установка вертикальных ТСГ образует замершие массы грунтов около свай, что приводит к затуханию перемещений свай по вертикали (рисунок 4).

Рисунок 4. Стабилизация температур свай вертикальным ТСГ: 1 – свая; 2 – вертикально-установленный ТСГ; 3 – замершие массы грунта. Установка вертикальных ТСГ позволяет также выполнить льдогрунтовую завесу. Данное мероприятие позволяет обеспечить защиту территории от действия подземных вод.

На объекте строительства Установка комплексной подготовки газа – 1С (УКПГ-1С) на Заполярном Газонефтеконденсатном месторождении в Зоне В были установлены термостабилизаторы грунта в 2 ряда, в шахматном порядке (рисунки 5 и 6). Целью проведения этих работ было устройство преграды из льда и мерзлого грунта для ограждения площадки от воздействия на неё подземных и надземных вод , поскольку около площадки находится озеро.

Рисунки 5, 6. Льдогрунтовая стенка возле площадки УКПГ-1С ЗГНКМ.

Создание льдогрунтовой стенки позволило избежать размытия откосов площадки из-за наполнения грунта подземными водами.

Для замораживания грунтов и формирования противофильтрационной защиты (ПФЗ) в ядре плотины водохранилища Майского Горно-обогатительного комбината (ГОКа) в Чукотскоми Автономгм Округе также были установлены термостабилизаторы грунта в 2 ряда, в шахматном порядке (рисунок 7).

Рисунок 7. Стабилизация грунтов плотины Майского ГОКа.

Специально для случаев, когда нужно охлаждать грунты и в летнее время [7], существует термостабилизатор круглогодичного действия, который может функционировать в зимнее время, как и сезоннодействующий термостабилизатор, за счет естественного холода (рисунок 8).

Рисунок 8. Термостабилизатор грунта действия круглого года.

В случае присутствия заниженного подполья (меньше чем 1 м) применяют ТСГ с \/- образным конденсатором (рис. 3б).  Использовались  такие ТСГ и на гражданских объектах. Цель использования термостабилизаторов – сохранение минусовой температуры грунтовых масс на всей длине установленных фундаментов из свай в течение всего периода использования согласно проекту (50 лет) [12].

Используемые конструкции глубинно-установленных  ТСГ (рисунок 3в) предназначены для аналогичных задач, что и обычный вертикальный термостабилизатор, отличающийся только большими габариты испарительной камеры и развитой конденсаторной камеры. Применение конструкции глубинных ТСГ позволяют стабилизировать грунтовые массы устья  в скважинах и иных строений глубина которых достигает  60 м  для сохранения их уровня надежности в момент эксплуатации [12].

Во время возведения сооружений также и нефтезранилищ, где проектное решение пола по грунту при обязательном искусственном закреплении грунтовых масс в условиях вечной мерзлоты разумно и правильно использовать горизонтально-установленную систему термостабилизации грунтов. Горизонтально-установленная система термостабилизации грунтов включает в себя термостабилизаторы, размеры и их  кол-во выбираются завися от габаритных размеров строения, и подбираются исходя из расчетов теплофизического анализа грунтовых масс. Расчёт определяет шаг размещения ТСГ и ведется корректировка для чтобы избежать ошибок во время их устройства от несущих конструкций строений и коммуникационных систем. Устройство реализуется на открытом котловане в грунтовой массе с уклоном испарительной части ТСГ и выводя конденсатор на открытую местность [12].

В случае относительно невеликих размеров строений используются слабонаклонно-установленные ТСГ, где диаметр испарительной камеры 38 мм и длина которой не превышает 21 м (рисунок 9). Для уставки конструкции в проектные отметки применяются конструкции для поддержания [12].

Рисунок 9. Схема системы горизонтально-установленных ТСГ с диаметром испарительной камеры 38 мм : 1 – конденсатор; 2 – транспортный участок; 3 – испаритель; 4 – поддерживающая.

Для строений с большими габаритами используется система горизонтально-установленных ТСГ, где диаметр испарительной камеры 76 мм и длина достигает 60 м (рис. 10). Каждый термостабилизатор включает в себя три элемента: испаритель – трубка, укладываемая под сооружение с уклоном к горизонту, и предназначается для отвода тепла от грунтовых масс с помощью циркулирования хладагента; транспортировочный участок – трубка, предназначенная для транспорта хладагента из конденсирующей камеры к испарительной камере и обратно, монтируется в горизонтальном положении; конденсатор – конструкция из трубок и дисков, монтируемая в вертикальном положении, на определенном уровне высоты над  землей для полного продува воздухом, которая несет охлаждающую функцию для хладагента. Использование анкерного ТСГ исключает потери мощности на транспортировочном  участке, увеличивая производительность установки [12].

Рисунок 10. Схема системы горизонтальных ТСГ,где диаметр испарительной камеры 76 мм : 1 – конденсатор; 2 – транспортировочный участок; 3 – испаритель; 4 – площадка обслуживания.

Конденсаторы ТСГ выводят наоблуживающую площадку –  металлическую конструкцию, используемую для технического обслуживания и так же несет функцию поддерживания системы конденсаторов. Эта площадка дает возможность минимизировать площадь, которую занимают конструкции ТСГ над поверхностью земли и дает возможность свободного доступа автомобильного транспорта к строениям, что   увеличивает показатели  по эксплуатации.

Следует обратить внимание на то, что все глубинно-установленные ТСГ с зоной испарения, где диаметр 76 мм и длина не превышает 60 м имеют многосекционные теплообменники, поставка которых на объекты осуществляется отправочными марками. В производственных условиях конденсаторы заправлены хладагентом. Это значительно сокращает сроки монтажа и ввод в работу изделий, сборка которых производится на строительном участке.

Даная система ТСГ имеет ряд преимуществ, даже если один из ТСГ выйдет из нормального режима работы, вся оставшаяся система продолжит выполнять свой функционал и не потеряет способность в достаточной мере создать льдогрунтовую плиту под строением, обеспечивая нужную несущую способность фундамента.

Наибольшее влияние на эксплуатационную надежности,  безопасности и снижения стоимости сооружений могут оказать регулируемые системы оснований и фундаментов, которые разрешают на всех этапах ведения строительно-монтажных работ и последующей эксплуатации управлять термонапряженно-деформированным состоянием грунтовых оснований и устойчивостью конструкционных элементов фундаментов [12].

Для того чтобы обеспечить долговечность, эффективность и безопасность парожидкостных ТСГ, в транспортировочный участок монтируют дополнительный элемент теплоотвода для их функционирования и работоспособности в теплое время года. Данный метод поддерживает работу ТСГ в теплый период года с температурами атмосферного воздуха выше 0°С за счет циркуляции в них промежуточного хладагента, который охлаждается через дополнительную холодильную установку. Это обеспечивает режим работы ТСГ кргулогодично.

Примером использования  горизонтальных ТСГ в паре с холодильным агрегатом – строительство оснований и фундаментов под пояса вертикальных стальных резервуаров нефтяных или газовых терминалов [13]  (рисунок 11).

Рисунок 11. Стабилизация грунтов основания резервуаров Варандейского нефтяного терминала.

Из существующих систем термостабилизации грунта имеет смысл обратить внимание на разработки ООО «НПО «Фундаментстройаркос», г. Тюмень. Это горизонтальная естественно-действующая трубчатая (ГЕТ) и вертикальная естественно-действующая трубчатая (ВЕТ) системы [14-15] (рисунки 12, 13).

Рисунок 12. Система «ГЕТ».

 

Рисунок 13. Система «ВЕТ».

Применяемые сезонно-охлаждающие устройства позволяют решить многие задачи по термостабилизации грунтов оснований сооружений и зданий, однако, имеется ряд недостатков:

• в испарителях сезонно-охлаждающих устройств используются металлические гладкостенные трубы , что препятствует эффективному использованию всей площади при испарении хладагента;
• недостаточная производительность устройств из-за своей сезонности в работе, а также при существующей тенденции к потеплению климата, что может свестись к ограничениям по их применению;
• при работе сезонно-охлаждающих устройств отводимое тепло уходит в окружающий воздух. Беря во внимание постоянные повышения требований к энергоэффективности сооружений и зданий, отводимое тепло могло использовано для теплоснабжения или горячего водоснабжения, что очень актуально для регионов Крайнего Севера.

Преимущества применения термостабилизаторов грунта:

• уменьшение затрат при строительстве оснований и фундаментов практически в 3 раза;
• повышение несущей способности свайных фундаментов в 3-6 раз;
• возможность поддержания постоянного температурного режима в основаниях сооружений и возможность регулировать температурный режим в установленных интервалах температур.

Список литературы

1. Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне [Текст]: учебник для студентов ВУЗ / Л.Н. Хрусталев. – М.: Изд. МГУ, 2005. – С. 544 с.
2. Минкин М.А. Основания и фундаменты сооружений на вечномерзлых грунтах [Текст] / М.А. Минкин. – М.: ГАСИС, 2005. – С. 213 с.
3. Long E.L. The Long Thermopile. Proceedings of the First International Conference on Permafrost / E.L. Long. - Purdue University, US National Academy of Sciences. – P. 487-490.
4. Ибрагимов Э.В. Прогноз напряженно-деформированного состояния термостабилизированного основания / Э.В. Ибрагимов, Я.А. Кроник, В.Н. Парамонов // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2018. – No 6. – С. 36-40.
5. Баясан P.M. Разработка и испытания термостабилизатора круглогодичного действия для обеспечения устойчивости фундаментов на вечномерзлых грунтах / P.M. Баясан, А.Г. Коротченко и др. // В сб.: «Материалы 2-ой конференции геокриологов Росси». - Том 4. - изд-во МГУ. – 2001. - С. 17-21.
6. Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением /С.И.Гапеев.-М.: Стройиздат, 1969. - С. 104 с.
7. Минкин М.А. Математическое моделирование процесса парооттаивания вечномерзлых грунтов на ЭВМ / М.А. Минкин, С.П. Дмитриева // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1985. - No2. - С. 22-25.
8. Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне [Текст]: учебник для студентов ВУЗ / Л.Н. Хрусталев. - М.: Изд. МГУ, 2005. С. 544 с.
9. Long E.L. The Long Thermopile. Proceedings of the First International Conference on Permafrost / E.L. Long. - Purdue University, US National Academy of Sciences. - P. 487- 490.
10. Братан Ф.И., Данилова Е.А., Хотулева Е.И., Окольникова Г.Э. Современные методы усиления оснований. - Системные технологии. - 2020. - № 37. - С. 20-24.
11. Ибрагимов Э.В. Экспериментальные исследования инновационных конструкций пологонаклонных конструкций термостабилизаторов грунта / Э.В. Ибрагимов, Я.А. Кроник, Е.В. Куплинова // Вестник Томского государственного архитектурно- строительного университета. - 2014г. - No 4. - С. 208-220.
12. Колосков Г.В. К вопросу выбора оптимальных систем термостабилизации грунтов при строительстве в криолитозоне / Г.В. Колосков, Э.В. Ибрагимов, Р.Г. Гамзаев // Геотехника. -2015. - No 6. - С. 4-11.
13. Гвоздик В.И. Устройство оснований и фундаментов крупных нефтяных резервуаров в условиях Крайнего Севера / В.И. Гвоздик, М.А. Андреев, А.И. Абросимов, И.А. Миронов // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2007г. - No6. - С. 24-28.
14. Долгих Г.М. Системы замораживания и температурной стабилизации грунтов в зоне многолетнемерзлых пород, применяемые ООО НПО «Фундаментстройаркос» / Г.М. Долгих, В.Н. Окунев // Материалы IX научно-технической конференции «Моделирование технологий замораживания искусственным холодом». - 2003. - С. 123-129.
15. Долгих Г.М. Система температурной стабилизации оснований / Г.М. Долгих и др. // Наука в СССР. – 1991. - No2. - С. 118-119.