Виды термостабилизации многолетнемерзлых грунтов и особенности их применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дальневосточный федеральный университет

ВИДЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Константинов Михаил Дмитриевич - магистрант,

кафедра гидротехники, теории зданий и сооружения,

г. Владивосток

Аннотация

мерзлота сооружение термостабилизация грунт

постепенное освоение с более суровыми климатическими условиями задали тренд в развитии направлений механики мерзлых грунтов. Особенности строительства в подобных регионах влияют на общую сложность проектов. Также, как и требования к соблюдению высокого уровня качества, надежности и безопасности в строительстве, сложные инженерно-геологические условия накладывают свой отпечаток на процессы проектирования и эксплуатации сооружений в регионах с островным и сплошным распространением вечной мерзлоты. Одним из вариантов поддержания высокого уровня безопасности при длительной эксплуатации сооружений является термостабилизация мерзлых грунтов в основании сооружений с помощью различных термостабилизируюхих устройств: от теневых навесов до холодильных установок.

Ключевые слова: вечномерзлые грунты, крайний север, термостабилизация, системы «ГЕТ», «ВЕТ».

Annotation

TYPES OF THERMAL STABILIZATION OF PERMAFROST SOILS AND FEATURES OF THEIR APPLICATION

Konstantinov Mikhail Dmitrievich -master's student, DEPARTMENT OF HYDRAULIC ENGINEERING, THEORY OF BUILDINGS AND STRUCTURES, FAR EASTERN FEDERAL UNIVERSITY, VLADIVOSTOK

gradual development with more severe climatic conditions set a trend in the development of frozen soil mechanics. Features of construction in such regions affect the overall complexity of projects. As well as the requirements for maintaining a high level of quality, reliability and safety in construction, complex engineering and geological conditions affect the design and operation of structures in regions with island and continuous permafrost distribution. One of the options for maintaining a high level of safety during long-term operation of structures is the thermal stabilization offrozen soils at the base of structures using various temperature-stabilizing devices: from shade sheds to refrigeration units.

Keywords: permafrost soils, far North, thermal stabilization, "HNP", "VNP" systems».

Введение

Планомерное развитие нефтегазодобывающей области в России еще в середине 20го века стало включать в себя освоение месторождений углеводородов в труднодоступных регионах страны. Такой подход позволял увеличить объем производства энергетических ресурсов, но требовал особого подхода к развитию регионов, в которых планировалось вести добычу, в отношении инфраструктуры, что включало в себя изучение возможности взаимодействия сооружений, будь то линейных: трубопроводы, водо- и теплопроводы или сосредоточенных на определенной площади, таких как сооружения комплексов добычи, с многолетнемерзлыми породами. Подобное взаимодействие было осложнено взаимным влиянием всех компонентов подобных систем: сооружение-многолетнемерзлый, грунт на температурный режим всех компонентов системы.

Первым преодоленным препятствием стал выбор подходящей конструкции фундамента для повышения его эффективности не только в конструктивном отношении для возводимого сооружения, но и в отношении теплоизолирующего эффекта для защиты грунтов оснований от выделяемого сооружением тепла. Так, основным видом фундамента для всех возводимых зданий и сооружений на крайнем севере стал свайный фундамент, который имел довольно серьезный запас прочности за счет смерзания сваи с вечномерзлым грунтом после нескольких циклов замораживания-оттаивания.

Другим вариантом конструкции фундамента стал фундамент мелкого заложения, основанный на создании конструкции особой конфигурации, которая позволяла холодному воздуху в зимний период продувать пространство между перекрытием первого этажа и спланированной поверхностью грунта. Такой вариант природного воздействия позволял предотвратить выделяемому зданием теплу проникать в мерзлый грунт, тем самым повышая его среднюю температуру. Но с учетом повышения среднегодовой температуры воздуха, в последние десятилетия все чаще применяются более продвинутые виды термостабилизации вечномерзлых грунтов, вплоть до прямого воздействия на их тепловой режим с помощью холодильных установок. Данные методы можно включить в общую систему контроля теплового режима грунтов.

Виды термостабилизации грунта и особенности их применения

Все используемые меры по сохранению и развитию толщи вечной мерзлоты в местах строительства и эксплуатации сооружений имеют собой одну общую цель - понижение среднегодовой температуры мерзлой толщи грунтов основания, которые в обычных условиях имеют тенденцию к повышению средней температуры с каждым новым циклом замораживания-оттаивания. Общей особенностью для подобных мер, а именно для применяемых систем термостабилизации грунтов, является воздействие на грунты оснований под сооружениями.

Все термостабилизирующие системы можно поделить по типу воздействия на меры, реализуемые на поверхности грунта и методы конструкционной защиты [4].

Среди первых стоит отметить следующие методы термостабилизации:

• Применение солнцезащитных навесов, которые уменьшают поступление солнечной радиации на поверхность грунта (рисунок 1);

• Расчистка снега в зимний период для увеличения излучения с поверхности грунта;

* Окраска поверхности грунта в светоотражающий цвет для повышения альебдо поверхности.

Рис. 1 Солнцезащитные навесы, сооружаемые на грунтовых насыпях

Конструкционные методы защиты, с свою очередь, включают в себя различные виды вентиляционных каналов, сооружаемых в толще конструкции, например, насыпи, для дополнительного ее охлаждения в зимний период, а также использования крупнообломочных пород для создания вентилируемого слоя на поверхности грунта (рисунок 2). Сюда же можно отнести различные меры с применением теплоизоляционных материалов в конструкции фундаментов сооружений для уменьшения теплового воздействия сооружения на вечномерзлые грунты [1].

Рис. 2 Вентиляционные каналы в толще грунтовых конструкций

Отдельным методом термостабилизации мерзлых грунтов можно считать различные охлаждающие установки, применяемые для принудительной заморозки грунтов. Так, наиболее часто используемыми установками можно считать различные виды сезоннодействующих охлаждающих установок, холодильных установок, термосифонов различных конструкций, а также систем «ГЕТ», «ВЕТ» и одиночных термостабилизаторов. Рассмотрим каждый вид в отдельности.

Парожидкостные термостабилизаторы (ТС), (рисунок 3) - двухфазные термосифоны, которые обладают высокой теплопередающей способностью, быстрым темпом вмораживания, высокой эффективностью охлаждения, а также малой теплоемкостью. Они могут применяться в строительстве для различных задач: восстановление мерзлого состояния грунтов в основании сооружения, предпостроечного замораживания грунтов, уменьшения теплового воздействия сооружений на мерзлые грунты оснований, а также создания мерзлого основания, противофильтрационных завес и других задач [2].

Рис. 3 Грунтовые термостабилизаторы различных конструкций

Особенности их конструкций предусматривает разнообразие различных конфигураций ТС для решения различных задач. Так, известны ТС вертикальной конструкции, слабонаклонные и наклонные ТС, а также длиномерные охлаждающие устройства вертикальной и горизонтальной конфигураций.

Сезоннодействующие охлаждающие устройства (СОУ) аналогичны одиночным термосифонам с той лишь разницей, что их конструкция и используемый хладагент предназначены для автоматической работы в условиях, когда разница температур внешней среды и толщи грунта достигает определённых значений, на которые рассчитаны параметры хладагента [3].

Холодильные установки - это ТС, связанные с системой обеспечения постоянной циркуляции хладагента в охлаждающей трубке и его охлаждения в система. Такая конфигурация, хоть и наиболее затратна в эксплуатации, имеет ряд преимуществ перед ТС и СОУ в виде независимости от климатических условий в районе использования, что позволяет применять подобные системы для принудительной заморозки грунтов основания в районах с наиболее сложными инженерно-геологическими и климатическими условиями для создания толщи мерзлого грунта.

В свою очередь системы «ГЕТ» и «ВЕТ» (рисунок 4) имеют ряд особенностей, которые их отличают от других охлаждающих устройств. Данные особенности заключаются в конструкции систем, которые представляют собой систему горизонтально или вертикально расположенных тепловых трубок, расположенных в толще грунта на лощади или в глубину и закмкнутых в общий контур, где на поверхности грунта расположен испаритель, который осуществляет основную функцию по конденсации хладагента в системе и обеспечивает его циркуляцию по всей системе [7].

Подобные системы наиболее часто применяют для создания толщи мерзлых грунтов под сооружениями, занимающими большие площади поверхности грунта или если необходимо заморозить большой объем грунта на глубине до 100м.

Заключение

Таким образов, количество известных методов, используемых для термостабилизации мерзлых грунтов, довольно велико, что позволяет применять методы, направленные на решение определенных задач в строительстве. Так системы «ГЕТ» чаще всего используются для протяженных сооружений или сооружений, занимающих большие площади, а глубинные СОУ позволяют создавать противофильтрационную завесу на глубине до 100м.

Но все же наиболее часто используемым средством термостабилизации грунтов является одиночный термосифон, большое количество которых может быть объединено в общую систему для создания морозной толщи или понижения ее температуры. ТС наиболее универсальны в следствие простоты конструкции и наличия различных вариантов исполнения, каждый из которых найдет свое применение для отдельного спектра задач.

Список литературы /References

1. Mingyi Zhang, Yuanming Lai, Zhiqiang Liu, Zhihua Gao Nonlinear analysis for the cooling effect of Qinghai-Tibetan railway embankment with different structures in permafrost regions [Журнал] // Cold Regions Science and Technology. 2005 г.. стр. 237-249.

2. Баясан Р.М., Голубин С.И., Лобанов АД., Баясан Т.В. Парожидкостные термостабилизаторы грунта различных типов и назначения, их конструктивные и теплотехнические особенности [Журнал] // Мониторинг теория. 2012 г.. стр. 14-19.

3. Ефимов В.М., Попенко Ф.Е., Рожин И.И. Формирование температуры грунтов оснований при использовании сезонно-охлаждающих устройств (СОУ) в условиях криолитозоны центральной Якутии [Журнал] // Арктика и Антарктика. 2017 г.. стр. 98-105.

4. Кондратьев В.Г., Перекупка А.Г., Примаков С.С., Петрова А.С. Мероприятия по изменению режима теплообмена на поверхности земли и их влияние на распределение температуры в грунте [Журнал] // Нефтяное хозяйство. Проектирование и обустройство месторождений. 2012 г.. стр. 122-126.

5. Макаров А.В., Журавлев А.В., Тян В.Ю. Особенности строительства фундаментов в вечномерзлых грунтах [Журнал] // Инженерный вестник Дона. 2019 г..

6. Максименко В.А., Евдокимов В.С., Гладенко А.А. Система заморозки грунта на основе парокомпрессионного и естественно-циркуляционного циклов [Журнал] // Омский научный вестник. 2012 г.. стр. 163-166.

7. Мельников В.П., Мельникова А.А., Аникин Г.В., Иванов К.С., Спасенникова К.А. Инженерные решения в строительстве на вечной мерзлоте в плане повышения энергоэффективности сооружений [Журнал] // Криосфера земли. 2014 г.. стр. 82-90.

8. Никишин А.В., Набоков А.В., Огороднова Ю.В., Коркишко О.А. Применение различных видов систем температурной стабилизации на объектах нефтегазовой отрасли [Журнал] // Инженерный вестник Дона. 2017 г.

Размещено на Allbest.ru