CC BY-NC
44Формирование температуры грунтов оснований при использовании сезонно-охлаждающих устройств (СОУ) в условиях криолитозоны центральной Якутии
Ефимов Василий Моисеевич
заместитель директора, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г.
Якутск
677000, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1, каб. 101
ЕЗ bmr2008@list.ru
Попенко Федор Елисеевич
кандидат геолого-минералогических наук директор, Научно-внедренческий центр "Геотехнология" 677000, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Вилюйский Тракт 5, 1/1
И geotechnologia@mail.ru Рожин Игорь Иванович
доктор технических наук в.н.с., Институт проблем нефти и газа СО РАН 677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1
И i_rozhin@mail.ru Степанов Анатолий Викторович
доктор технических наук г.н.с., Институт физико-технических проблем Севера СО РАН 677677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1
И a.v.stepanov@iptpn.ysn.ru
Большев Константин Николаевич
кандидат технических наук с.н.с., Институт физико-технических проблем Севера СО РАН 677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1
И k.bolshev@mail.ru
Статья из рубрики "Грунты холодных регионов"
Аннотация. Предметом исследования является взаимодействие сезонно - действующих охлаждающих устройств (СОУ) с грунтами, процессы тепломассопереноса и образования криотекстур. Сезонно - действующие охлаждающие устройства нашли широкое применение в северном строительстве при усилении фундаментов зданий и их оснований, сложенных пластичномерзлыми и талыми дисперсными грунтами; при устройстве противофильтрационных экранов и мерзлотных завес. Эффективность работы сезоннодействующих охлаждающих установок оценивается по скорости формирования расчетного температурного режима в основаниях инженерных сооружений. Исследования произведены на примере объекта "Спортивный комплекс "Триумф" в г. Якутске". Для регистрации температурного режима грунтов на объекте обустроены
скважины - термотрубки, в которых размещаются шлейф - регистраторы на базе термологгеров iBDL Основными выводами данного исследования являются то, что понижение температуры в основании объектов с висячими сваями до расчетных значений может быть получено только методами принудительного охлаждения.Приведенные данные формирования температур грунтовых оснований, охлаждаемых сезоннодействующими установками парожидкостного типа, отражают закономерности, характерные для дисперсных грунтов любого вида, при различных значениях влажности и засоленности для зданий с проветриваемыми подпольями.Формирующиеся в результате принудительного охлаждения температурные поля не являются стационарными. Их пространственно- временная изменчивость обусловлена сезонными изменениями температуры воздуха в проветриваемом подполье, условиями теплообмена на дневной поверхности под зданием, теплофизическими свойствами грунтов оснований, режимом работы охлаждающих установок и, в значительной степени, климатическими факторами.
Ключевые слова: сезонно-охлаждающие установки, кр и о л итоз о н а , грунты, тепломассообмен, северное строительство, м е р з л ота , термостабилизация, датчик температуры, термокоса, свайный фундамент
DOI: 10.7256/2453-8922.2017.4.25037
Дата направления в редакцию: 19-12-2017
Дата рецензирования: 19-12-2017
Дата публикации: 10-01-2018
Введение
Сезоннодействующие охлаждающие установки (СОУ) нашли широкое применение в северном строительстве при усилении фундаментов зданий и их оснований, сложенных пластичномерзлыми и талыми дисперсными грунтами; при устройстве противофильтрационных экранов и мерзлотных завес.
Статья посвящена формированию температурного поля в грунтах оснований при использовании сезонно-охлаждающих устройств.
Рис. 1. Сезоннодействующие охлаждающие устройства на объекте «Спортивный комплекс
«Триумф» в г. Якутске»
Описание метода исследования
Принято считать, что эффективность работы сезоннодействующих охлаждающих установок оценивается по скорости формирования расчетного температурного режима в основаниях инженерных сооружений.
Лабораторными опытами подтверждено, что формирование сложных слоисто-сетчатых криотекстур происходит со скоростью 0,3 - 0,5 см/сут, массивных со скоростью > 0,5 см/сут В реальных условиях скорость промерзания варьирует от 0,5 см/сут в нижней части разреза до 4 см/сут в верхней части разреза (см. монографию Г2, стр- 192, табл. 4-61), что объясняется наложением двух фронтов охлаждения: естественного от дневной поверхности и обусловленного работой СОУ. Они имеют следующие характеристики: диаметр подземного испарителя 76 мм, диаметр У-образного конденсаторного блока с вертикальным ребрением 89 мм, теплоноситель - хладон 22. На различных расстояниях от СОУ в скважины установлены полипропиленовые трубы внутренним диаметром 40 мм заглушенные в нижней части. В полипропиленовую трубу установлен шлейф-регистратор (термокоса) изготовленный фирмой ООО НТЛ «ЭлИн» длиной 11,25 м. Вдоль шлейф-регистратора на расстоянии друг от друга 1,25 м установлены термологгеры iBDL, представляющие собой полностью защищенный энергонезависимый одноканальный электронный самописец в корпусе типа МкгоСап F-5 толщиной 5,89 мм и диаметром 17,35 мм. Внутри корпуса содержится датчик температуры, элемент питания, память, часы/календарь реального времени. Интерфейсный разъем в верхней части термокосы поз в о ля е т опрос ить в люб о е в ре мя в с е ло г г е ры.
Фиксируемый в реальных условиях неравномерный темп охлаждения грунтов в радиальном направлении от охлаждающего термосифона можно объяснить формированием слоев с различным типом криотекстур, различающихся содержанием объемного льда и, следовательно, нестабильностью теплофизических характеристик.
Известно, что при увеличении льдистости скорость промерзания снижается и наоборот, при уменьшении суммарной льдистости скорость промерзания возрастает вследствие различий параметров теплопроводности льда и минерального скелета.
Результаты экспериментов
Вследствие неоднородности гранулометрического и фракционного состава грунтов, их теплофизических свойств продвижение фронта промерзания при действии охлаждающей установки происходит с различной скоростью. В результате формируются вертикально ориентированные льдопородные грунты сложной конфигурации, радиусы которых на различных глубинах не всегда соответствуют расчетным (проектным) значениям.
Высокая пространственная изменчивость состава и влажности аллювиальных грунтов Г3], предопределяет неравномерный характер их принудительного промораживания охлаждающими термосифонами любого типа, следствием чего является формирование пространственно неоднородных температурных полей, определяющих несущую способность оснований. Формирование установившегося температурного режима в основаниях зданий происходит только при полном завершении процессов кристаллизации свободной и слабосвязанной поровой влаги, характерных для твердомерзлого состояния грунтов.
В монографии Г21 методами численного моделирования показано, что применение в качестве теплорегулирующего покрытия конвективных ячеек Бенара, предложенных
В.И.Макаровым способствует затуханию нестационарных тепловых возмущений в теплое и холодное время года и сокращению глубины сезонного оттаивания грунтов, что позволяет повысить несущую способность свайного фундамента за счет включения в работу грунтов сезонноталого слоя. Скорость промерзания талых грунтов в естественных условиях (по схеме «сверху- вниз») и при их глубинном промораживании охлаждающими термосифонами (в радиальном направлении) в общем случае носит не монотонный (равномерно поступательный), а скачкообразный характер с характерными ускорениями или замедлением перемещения границы промерзания, вплоть до полной её остановки.
На скачкообразное перемещение границы промерзания указывал проф. П.А.Шумский-^, который отметил, что процесс промерзания тонкодисперсного грунта представляет собой чередование остановок границы промерзания на уровнях установления теплового равновесия и быстрого перемещения этой границы на тех участках массива, где лед включений не образуется.
На примере термотрубки №7 объекта «Спортивный комплекс «Триумф» в г. Якутске» показано, что зависание температуры принудительно охлаждаемого обводненного пылеватого и мелкозернистого песчаного грунта на фазовых переходах в интервале глубин 4,5-8 м, может достигать 3- 5 месяце в зависимости от степени обводненности грунта (табл. 3). Описание инженерно-геологического разреза приведено ниже.
0,0- 1,0м - насыпной грунт (супесь, песок, галька, щебень)
1,0 - 4,0 - супесь с примесью органических веществ
4,0 - 6,5 - песок пылеватый талый, водонасыщенный, слабозасоленный, с примесью растительных остатков
6,5 - 9,2 - песок мелкий талый, водонасыщенный
9,2 - 11,0 - песок мелкий твердомерзлый, массивной криотекстуры
Необходимые для теплотехнических расчетов данные приведены в табл.1.
Таблица 1
Теплофизические свойства грунтов основания
Грунт, интервал Wс,, рск, Лт Лм, Ст См
насыпной 0,25 1,50 1,90 2,10 785 525
супесь 0,40 1,25 1,65 1,85 740 505
песок пылеватый 0,34 1,32 1,65 1,85 800 560
песок мелкий тал. 0,34 1,32 1,65 1,85 800 560
песок мелки мрзл. 0,35 1,38 1,65 1,80 800 560
Размерность приведенных физико-механических характеристик: Wс - в дол.ед; рск - в г/см3; Лт,м- в ккал/м*ч*0С; Ст,м- в ккал/м3*0С.
Средневзвешенные значения расчетных характеристик: Мс= 0,33; рск=1,35; Лт=1,70; Лм= 1,89; Ст=785; См = 542;
Таблица 2
Динамика температур основания объекта «Триумф»
П __— I Л Г" I |— I Г I ~7 I Г» I I Л Г\ I
Дата замеров 4,5 5 6 7 8 9 10
21.10.10 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,1 -0,3 -0,5
23,11.10 -0,3 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,3 -0,5
21,12.10 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 -0,1 -0,4 -0,8
20.01.11 -0,3 -0,2 -0,2 -0,2 -0,1 -0,9 -1,4
01.02.11 -0,4 -0,1 -0,2 -0,2 -0,2 -1,2 -1,5
11.02.11 -0,5 -0,2 -0,2 -0,2 -0,3 -1,2 -1,6
02.03.11 -1,8 -0,2 -0,1 -0,2 -0,5 -1,4 -1,8
11.03.11 -2,3 -0,4 -0,2 -0,2 -0,5 -1,3 -1,7
24.03.11 -3,0 -0,9 -0,2 -0,2 -0,6 -1,3 -1,8
10.05.11 -3,0 -1,9 -0,3 -0,4 -0,6 -1,1 -1,4
23.11.11 -1,0 -0,9 -0,6 -0,7 -0,7 -1,0 -1,2
29.12.11 -1,8 --1,6 -1,2 -1,5 -1,7 -2,0 -2,0
01.02.12 -3,7 -3,3 -2,0 -2,0 -2,7 -2,9 -2,8
05.04.12 -6,8 -6,0 -4,4 -3,5 -3,4 -3,4 -3,1
05,06.12 -4,6 -4,3 -3,5 -3,1 -2,7 -2,7 -2,6
05.09.12 -2,2 -2,3 -2.» -2,0 -2,0 -2,1 -2,2
30.10.12 -1,7 -1,8 -1,8 -1,9 -1,9 -1,9 -1,9
Приведенные в табл.2 данные указывают на возможность формирования достаточно низких температур практически в течение одного зимнего сезона. Сезонные возмущения температурного поля, формирующегося в основании здания, построенного по первому принципу с проветриваемыми подпольями, прослеживаются до 10 и более метров.
Причем изменение температуры на глубине 10 м в нашем случае составляет 1,20С. Охлаждение высокотемпературного слабозасоленного пластичномерзлого грунта в интервале глубин 9-10 м начинается через два месяца после включения в работу охлаждающей установки.
Длительное зависание температуры охлаждаемого грунта на точке фазового перехода отмечается в водонасыщенных песчаных грунтах и в грунтах с высокой концентрацией поров ых ра ств о ро в .
Механизм перемещения влаги в дисперсных грунтах зависит от величины их влажности и степени заполнения пор водой (в оттаявших и талых грунтах), содержания незамерзшей воды и льдистости (в пластичномерзлых грунтах).
В зависимости от мест расположения СОУ, состава и влажности вмещающих грунтов на контакте с боковой поверхностью свай могут формироваться массивные, сетчато-слоистые, ячеистые криотекструры или «ледяные» рубашки вокруг свай, что требует специального изучения.
Восстановление естественных температур грунта вокруг кустов буронабивных свай, изготовленных с противоморозными добавками без применения систем принудительного охлаждения, как показывают результаты натурных наблюдений, продолжается более двух лет.
Данные замеров температур на глубине 10м и средние значения температуры грунта
в интервале глубин 3-10м при различных удалениях СОУ от буронабивных свай,
установленных с противоморозными добавками, выполненных на объекте «Жилой комплекс «Прометей» в 11 квартале г. Якутска, приведены в табл. 3.
Из таблицы видно, что максимальный радиус растепления грунтов вечномерзлой толщи (интервал глубин 3-10 м) достигает 1,7 м от боковой поверхности ближайшей сваи (свая 147). Средняя температура грунта на глубине 10 м варьируется в пределах от +0,1 до -
0,50С, а по интервалу глубин 3-7 м от +0,3 до -0,20С, т.е. вокруг свай при их установке кустовым способом формируется практически равномерное по глубине и простиранию высокотемпературное поле оттаявших вечномерзлых грунтов.
Таблица 3
Значения температуры грунтов в зависимости от расстояния до сваи
Номер сваи Дата установки сваи Расстояние от сваи до термотрубки, мм Дата замера те мпе ра туры грунта ^-10
126 31.07.2012 100 29.05.2013 -0,1 -0,1
147 16.08.2012 1700 29.05.2013 -0,1 -0,1
48 31.09.2012 550 30.05.2013 + 0,1 -0,1
102 10.08.2012 120 30.05.2013 0,0 -0,,1
242 22.10.2012 70 5.06.2013 -0,3 -0,1
166 29.04.2013 960 5.06.2013 -0,1 0,0
146 22.01.2013 1000 7.06 2013 0,0 -0,1
97 22.09.2012 100 7.06 2013 -0,2 0,0
97 22.09.2012 1100 9.06.2013 -0,5 -0,2
89 22.09.2012 1080 13.06.2013 -0,5 -0,1
97 22.09.2013 100 15.06.2013 -0,2 0,0
238 31.01.2013 100 20.06.2013 + 0,3 + 0,3
216 26.04.2013 1200 21.06.2013 0,0 -0,1
62 25.02.2013 900 13.06.2013 -0,1 -0,1
21 28.04.2013 130 29.06 2013 + 0,1 0,0
При принудительном охлаждении локального (замкнутого) водонасыщенного талика происходит постепенное его промерзание, сопровождающееся ростом внутриобъемного давления, значительно превышающего структурную прочность мерзлого грунта и силы смерзания мерзлых грунтов с боковой поверхностью свай. Следствием этого является выпучивание слабонагруженных свай, сопровождающееся разрушением ростверков и разрывами сплошности залегающего над таликом мерзлого грунта и бетонной отмостки. С ростом внутриобъемного давления температура кристаллизации поровой влаги соответствующим образом понижается и может выйти за технологические возможности охлаждения грунтов установками парожидкостного типа. В этом случае перенапряженный объем остаточного талика может сохраняться неопределенно долго, из чего вытекает вывод о необходимости предпостроечного водопонижения в водонасыщенных грунтах надмерзлотных таликов, образующих системы закрытого типа.
Следует отметить, что формирующиеся в результате принудительного охлаждения температурные поля не являются стационарными, их пространственно- временная изменчивость обусловлена сезонными изменениями температуры воздуха в проветриваемом подполье и условиями теплообмена на дневной поверхности под зданием, а также теплофизическими свойствами грунтов оснований.
Динамика сезонных изменений температуры грунтов, промороженных установками
парожидкостного типа, в интервале глубин 1-9 м приведена в табл. 4 (термотрубка 7-3, объект: «Спорткомплекс «Триумф»).
Таблица 4
Изменение температуры грунтов, промороженных установками парожидкостного типа
Дата 1 2 3 4 5 6 7 8 9
11.02.11 -14,1 -6,3 -2,6 -1,2 -1,3 -1,4 -1,5 -1,5 -1,6
11.03.11 -13,2 -9,9 -6,8 -4,5 -3,0 -2,2 -2,1 -2,0 -1,9
10,05.11 -3,6 -5,1 -5,5 -5,2 -4,6 -3,9 -3,3 -2,9 -2,5
12.07.11 -0,4 -1.9 -2,6 -2,9 -3,0 -3,0 -2,7 -2,5 -2,2
20.09.11 + 0,6 -1,0 -1,5 -1,8 -2,0 -2,2 -2,1 -2,1 -2,0
24.11.11 -0,5 -0,6 -1,2 -1,5 -1,7 -1,9 -2,0 -2,0 -2,0
02.02.12 -12,1 -8,4 -5,9 -4,5 -3,9 -3,8 -3,8 -3,7 -3,5
10.05.12 -5,8 -7,1 -7,3 -6,9 -6,3 -5,7 -5,0 -4,5 -3,8
6,98.12 + 1,0 -1,3 -1,5 -2,0 -2,4 -2,5 -2,6 -3,2 -3,1
30.10.12 -0,2 -0,9 -1,6 -2,0 -2,3 -2,6 -2,6 -2,7 -2,7
Как видно из таблицы сезонное оттаивание грунтов основания под зданиями с проветриваемыми подпольями составляет один метр, а растепление грунтов вечномерзлой толщи за теплый период года наблюдается до девяти метров и более.
Выводы
Понижение температуры в основании объектов с висячими сваями до расчетных значений, обеспечивающих достаточную несущую способность фундаментов, может быть получено только методами принудительного охлаждения (промораживания).
Отдельной задачей является разработка метода прогноза восстановления естественных температур грунтов в основаниях свайных ростверков и зданий в целом, оттаявших в процессе гидратации бетона буронабивных свай, изготовленных с противоморозными добавками или без добавок, и их охлаждения до требуемых значений.
Приведенные табличные данные формирования температур грунтовых оснований, охлаждаемых сезоннодействующими установками парожидкостного типа, отражают закономерности, характерные для дисперсных грунтов любого вида, при различных значениях влажности и засоленности для зданий с проветриваемыми подпольями.
Формирующиеся в результате принудительного охлаждения температурные поля не являются стационарными. Их пространственно-временная изменчивость обусловлена сезонными изменениями температуры воздуха в проветриваемом подполье, условиями теплообмена на дневной поверхности под зданием, теплофизическими свойствами грунтов оснований, режимом работы охлаждающих установок и, в значительной степени, климатическими факторами.
Библиография
1. Жесткова Т.Н. Формирование криогенного строения грунтов. - М.: Наука, 1982. -216 с.
2. Степанов А.В., Попенко Ф.Е., Рожин И.И. Основы инженерной защиты объектов строительства в криолитозоне. - Новосибирск: Наука, 2014. - 448 с.
3. Попенко Ф.Е. Основы методики изучения состава и свойств аллювиальных отложений при использовании их в качестве оснований сооружений: автореф. дисс.
канд. наук. - Якутск, 1991. - 21 с.
4. Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве. - Новосибирск: Наука, 1985. - 169 с.
5. Шумский П.А. О нарастании кристаллов льда на твердое основание. // сборник посвященный 90-летию академика В.А. Обручева. - М.: Изд-во АН СССР, 1955. - с. 51-59.
