CC BY
17К вопросу охлаждения грунта с помощью термоэлементов внутри свай
Лаврик Александр Юрьевич,
канд. техн. наук, научный сотрудник, Научный центр «Арктика», Санкт-Петербургский горный университет, lavrik_ayu@pers.spmi.ru
Буслаев Георгий Викторович,
канд. техн. наук, научный руководитель, Научный центр «Арктика», Санкт-Петербургский горный университет, buslaev_gv@pers.spmi.ru
Статья относится к области термостабилизации многолетне-мёрзлых грунтов за счёт внешних источников холода. Глобальное изменение климата способно нарушить устойчивость объектов и сооружений в Арктике, в связи с чем особую актуальность приобретают инновационные способы обеспечения мёрзлого состояния грунтов, являющихся основанием для свайных фундаментов. Этим фактом объясняется большое количество исследований, направленных на совершенствование существующих и разработку новых способов термостабилизации грунтов в криолитозоне. В частности, ряд способов предполагает использование внешних источников холода, например -холодильных машин. В некоторых работах предлагается осуществлять замораживание грунта с помощью глубинных термоэлементов. Данная статья посвящена вопросу определения целесообразности размещения термоэлементов на различной глубине внутри свай при наличии на платформе технологического источника теплового излучения. Выполненное в программной среде COMSOL МЫ^Ь^^ моделирование показало, что различная глубина размещения термоэлементов внутри свай позволяет достичь лучших результатов замораживания грунта, чем при размещении термоэлементов на одинаковой глубине.
Ключевые слова. Свайное основание, замораживание, холодильная машина, теплота.
см см о см
Введение. Последние годы ознаменовались масштабным развитием Арктической зоны России, что объясняется, в том числе, значительными запасами углеводородов, сосредоточенных в этом регионе [1, 2]. Вместе с тем, строительство любых сооружений в зоне распространения многолетнемёрзлых пород осложняется необходимостью осуществления термостабилизации грунтов. При отсутствии или недостаточности мероприятий по искусственному охлаждению грунта наблюдаются многочисленные происшествия, связанные с деформациями и разрушениями объектов инфраструктуры в результате пучения грунтов [3, 4]. В настоящее время основными способами поддержания мёрзлого состояния грунтов в соответствии с [5] является сооружение вентилируемого подполья [6, 7] и использование па-рожидкостных одиночных или групповых термостабилизаторов [8, 9]. В последние годы для термостабилизации грунтов под сооружениями большой площади и критически важными объектами используют горизонтальные и вертикальные естественно действующие трубчатые системы [8, 9, 10]. Определённые недостатки применяемых способов охлаждения грунта в совокупности с наблюдаемым изменением климата делают разработку инновационных решений по недопущению увеличения температуры многолетнемёрзлых грунтов крайне актуальной задачей [11].
Ряд предложенных в последние годы технических решений предполагает использования для термостабилизации грунтов источников внешнего охлаждения, например - холодильных машин [12, 13, 14]. В патенте [15] предлагается осуществлять охлаждение грунта с помощью глубинных термоэлементов. В данной статье предлагается размещать термоэлементы не в скважинах, а внутри свай. Задачей исследования было определить целесообразность размещения термоэлементов на различной глубине.
О ш т х
<
т о х
X
Моделирование процесса термостабилизации грунта
В рамках исследования в программной среде С0М501_ Multiphysics построена модель свайного основания, основные геометрические параметры которого представлены в таблице 1. Свайное основание включает платформу, закрепленную на расположенных в одной плоскости трёх полых сваях на высоте 2 м над поверхностью земли. На платформе установлен объект с мощностью теплового излучения 10 кВт. Внутри свай установлены тонкостенные термоэлементы в форме спиралей, причём расстояние между термоэлементами и внутренней стенкой сваи составляет 20 мм. Внутреннее пространство свай заполнено керосином до уровня
поверхности земли, верхнюю часть внутреннего пространства свай занимает воздух. В термоэлементы подаётся хладон R20. Входные трубки термоэлементом теплоизолированы полиуретаном толщиной 50 мм, плотно прилегающим к входной трубке термоэлемента.
Таблица 1
На рисунке 2 показано распределение температур в модели свайного основания по объёму расчётной области.
Объект Параметр Значение
Платформа (сталь) Длина / ширина / высота, м 8 / 5 / 0,2
Свая (сталь) Длина, м 10
Диаметр, м 0,4
Толщина стенки, мм 10
Термоэлемент (медь) Диаметр трубки, мм 15
Количество витков 20
Межвитковое расстояние, м 0,1
Скорость теплопереноса в воздушной части расчётной области составляет 0,05 м/с. Температура воздуха на границах расчётной области задана +8 °С (кроме границы, в сторону которой направлен теплоперенос). Начальные условия выше поверхности земли +8 °С, начальные условия ниже поверхности земли -2 °С. В модели принято, что хладон R20 подаётся от холодильной машины, не моделируемой в рамках данной работы, причём температура хладона на уровне земли составляет -3 °С.
В рамках исследования проводилось моделирование стационарного процесса термостабилизации грунта вокруг свай. На рисунке 1 показаны изотермы грунта в двух случаях: при отсутствии искусственной термостабилизации (хладон в термоэлементы не подаётся) и при термостабилизации грунта. В последнем случае обеспечивается мёрзлое состояние грунта вокруг свай.
Рисунок 2. Распределение температур в модели по объёму расчётной области модели
Одной из задач исследования было установить целесообразность размещения термоэлементов внутри свай на разной глубине. В связи с этим в ходе моделирования изменялась глубина опускания термоэлементов внутри свай. Результаты моделирования температурного поля прилегающего к сваям грунта при некоторых вариантах размещения термоэлементов внутри свай показаны в таблице 2.
Таблица 2
Варианты размещения термоэлементов внутри свай и результаты моделирования температурного поля прилегаю-
№ Глубина опускания верх- Средняя темпера- Средняя темпера-
ней части термоэле- тура поверхности тура грунта в рас-
мента относительно сваи ниже уровня чётной области, °С
уровня земли, м земли, °С
Свая 1 Свая 2 Свая 3 Свая 1 Свая 2 Свая 3 в сечении в объёме
1 Термоэлементы отсут- 1,01 0,79 0,54 -0,46 -0,81
ствуют
2 1 -0,87 -1,05 -1,12 -0,58 -0,84
3 1,5 -0,90 -1,06 -1,13 -0,64 -0,82
4 2 -0,81 -1,00 -1,08 -0,62 -0,88
5 3 -0,84 -0,97 -1,02 -0,61 -0,85
6 1,5 1 1 -0,88 -1,10 -1,19 -0,68 -0,90
7 2 1 1 -0,85 -1,13 -1,22 -0,68 -0,92
8 3 1 1 -1,02 -1,24 -1,31 -0,72 -0,91
9 4 1 1 -0,68 -1,09 -1,14 -0,62 -0,86
Анализ результатов, представленных в таблице 2, показывает, что в заданных условиях моделирования различная глубина размещения термоэлементов внутри свай приводит к более низким температурам охлаждаемого грунта. На рисунке 3 показаны изотермы грунта для варианта 8 из таблицы 2: глубина размещения термоэлементов №1/2/3 (расстояние от поверхности земли до спирали термоэлемента) составляет 3/1/1 м соответственно.
Сравнение изотерм на рисунке 1 (при осуществлении термостабилизации) и рисунке 3 также наглядно показывает, что в заданных условиях целесообразно размещать термоэлементы на различной глубине.
X X
о
го А с.
X
го т
о
Рисунок 1. Изотермы грунта в отсутствии (А) и при термостабилизации за счёт хладона (Б)
м о м м
CN СЧ О
cs
О Ш
m
X
<
m о x
X
Рисунок 3. Изотермы грунта при различной глубине размещения термоэлементов внутри свай
Заключение. В результате проведённого в программной среде COMs0L МЫ^Ь^^ моделирования установлено, что в определённых условиях глубинные термоэлементы для замораживания или поддержания в мёрзлом состоянии грунта целесообразно размещать на различной глубине. В рамках продолжения текущего исследования планируется уточнение модели «свайное основание - грунт» с целью оптимизации конструкции свайного основания и возможности изучения динамики процесса термостабилизации рассматриваемым способом.
Литература
1. Пилясов А. Н., Путилова Е. С. Новые проекты освоения российской Арктики: пространство значимо! //Арктика и север. - 2020. - №. 38. - С. 21-43.
2. Череповицын А. Е., Цветков П. С., Евсеева О. О. Критический анализ методических подходов к оценке устойчивости арктических нефтегазовых проектов //Записки Горного института. - 2021. - Т. 249. - С. 463-478.
3. Нефедова Л. В. Адаптация энергокомплекса к изменениям климата в Арктике //Энергетическая политика. - 2020. - №. 9 (151). - С. 92-103.
4. Буслаев Г.В., Куншин А.А., Сидоров Д.А., Лосева Е.С., Лаврик А.Ю. Моделирование решений для размещения арктических нефтегазовых объектов // Деловой журнал NEFTEGAZ.RU. - 2022. - 1(121). - С. 62-71.
5. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.: Минрегионразвития, 2008. 140 с.
6. Алексеев А.Г., Сазонов П.М. Особенности расчета несущей способности буроопускных свай при проектировании фундаментов главного корпуса электростанции Ямал СПГ // Геотехника. - 2018. - Т. 10. - № 1-2. - С. 7079.
7. Горелик Я.Б., Хабитов А.Х. Об эффективности применения термостабилизаторов при строительстве на многолетнемерзлых грунтах // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. - 2019. -Т. 5, №3. - С. 25-46.
8. Ермилова Н.Ю., Журавлев А.В., Тян В.Ю. Термостабилизация многолетнемерзлых грунтов: технологии
и оборудование // Инженерный вестник Дона. - 2021. -№ 5 (77). - С. 424-432.
9. Жабин В.Ю., Цвицинский А.Л. Работа систем термостабилизации грунтов на производственных объектах уренгойского НГКМ // Наука и техника в газовой промышленности. - 2019. - № 1. - С. 45-52.
10. Абу-Хасан М.С., Егоров В.В., Куправа Л.Р., Чар-ник Д.Г. Термостабилизация вечномерзлых грунтов при возведении сооружений в северных климатических зонах // БСТ: Бюллетень строительной техники. - 2019. -№ 4 (1016). - С. 40-42.
11. Ибрагимов Э.В., Кроник Я.А. Оптимизация устройства оснований и фундаментов в криолитозоне (на примере вертикального стального резервуара РВС-20000 м3) // Геотехника. - 2018. - № 5-6. - С. 52-61.
12. Андреев М.А., Миронов И.А., Терентьев А.В. Устройство оснований и фундаментов нефтяных резервуаров в сложных условиях Заполярья // Промышленное и гражданское строительство. - 2006. - № 9. - С. 4041.
13. Колосков Г.В., Ибрагимов Э.В., Гамзаев Р.Г. К вопросу выбора оптимальных систем термостабилизации грунтов при строительстве в криолитозоне // Геотехника. - 2015. - № 6. - С. 4-11.
14. Окороков Н. С., Коркишко А. Н., Коржикова А. П. Экспериментальное исследование принудительно вентилируемой сваи //Вестник МГСУ. - 2020. - Т. 15. - №. 5. - С. 665-677.
15. Пат. 2552253 Российская Федерация, МПК E02D 27/38 (2006.01). Способ устройства плитного фундамента на сваях для резервуара с низкотемпературным продуктом [Текст] / Хафизов Р.М.; заявитель Хафизов Р.М. - N 2013152417/03; заявл. 27.11.2013; опубл. 10.06.2015.
On the issue of soil cooling with the help of thermoelements inside piles Lavrik A.Yu., Buslaev G.V.
St. Petersburg Mining University JEL classification: L61, L74, R53
The article relates to the field of thermal stabilization of permafrost soils due to external cold sources. Global climate change can disrupt the stability of objects and structures in the Arctic, in connection with which innovative methods of ensuring the frozen state of soils, which are the basis for pile foundations, are of particular relevance. This fact explains a large number of studies aimed at improving existing and developing new methods of thermal stabilization of soils in the permafrost zone. In particular, a number of methods involve the use of external sources of cold, for example, refrigerators. In some works, it is proposed to freeze the soil with the help of deep thermoelements. This article is devoted to the issue of determining the feasibility of placing thermoelements at different depths inside piles in the presence of a technological source of thermal radiation on the platform. Simulations performed in the COMSOL Multiphysics software showed that different depths of thermocouples inside piles provide better ground freezing results than when thermocouples are placed at the same depth. Keywords. Pile foundation, freezing, refrigerator, heat. References
1. Pilyasov A. N., Putilova E. S. New projects for the development of the
Russian Arctic: space is significant! //Arctic and north. - 2020. - no. 38. -S. 21-43.
2. Cherepovitsyn A. E., Tsvetkov P. S., Evseeva O. O. Critical analysis of
methodological approaches to assessing the sustainability of Arctic oil and gas projects. Zapiski Gornogo instituta. - 2021. - T. 249. - S. 463478.
3. Nefedova L. V. Adaptation of the energy complex to climate change in the
Arctic // Energy policy. - 2020. - no. 9 (151). - S. 92-103.
4. Buslaev G.V., Kunshin A.A., Sidorov D.A., Loseva E.S., Lavrik A.Yu.
Modeling solutions for the placement of Arctic oil and gas facilities // Business magazine NEFTEGAZ.RU. - 2022. - 1(121). - S. 62-71.
5. SP 25.13330.2012. Bases and foundations on permafrost soils. M.:
Ministry of Regional Development, 2008. 140 p.
6. Alekseev A.G., Sazonov P.M. Features of calculating the bearing capacity
of bored piles when designing the foundations of the main building of the
Yamal LNG power plant // Geotechnics. - 2018. - T. 10. - No. 1-2. - S. 70-79.
7. Gorelik Ya.B., Khabitov A.Kh. On the effectiveness of the use of thermal
stabilizers in construction on permafrost soils // Bulletin of the Tyumen State University. Physical and mathematical modeling. Oil, gas, energy. - 2019. - V. 5, No. 3. - S. 25-46.
8. Ermilova N.Yu., Zhuravlev A.V., Tyan V.Yu. Thermal stabilization of
permafrost soils: technologies and equipment // Engineering Bulletin of the Don. - 2021. - No. 5 (77). - S. 424-432.
9. Zhabin V.Yu., Tsvitsinsky A.L. Operation of soil thermal stabilization
systems at production facilities of the Urengoy oil and gas condensate field // Science and technology in the gas industry. - 2019. - No. 1. - P. 45-52.
10. Abu-Khasan M.S., Egorov V.V., Kuprava L.R., Charnik D.G. Thermal stabilization of permafrost soils during the construction of structures in the northern climatic zones // BST: Bulletin of construction equipment. -2019. - No. 4 (1016). - P. 40-42.
11. Ibragimov E.V., Kronik Ya.A. Optimization of the construction of bases and foundations in the permafrost zone (on the example of a vertical steel tank RVS-20000 m3) // Geotechnics. - 2018. - No. 5-6. - S. 52-61.
12. Andreev M.A., Mironov I.A., Terentiev A.V. Construction of bases and foundations for oil reservoirs in the difficult conditions of the Arctic // Industrial and civil construction. - 2006. - No. 9. - P. 40-41.
13. Koloskov G.V., Ibragimov E.V., Gamzaev R.G. On the issue of choosing optimal systems for thermal stabilization of soils during construction in the permafrost // Geotekhnika. - 2015. - No. 6. - P. 4-11.
14. Okorokov N. S., Korkishko A. N., Korzhikova A. P. Experimental study of a forcedly ventilated pile // Vestnik MGSU. - 2020. - T. 15. - No. 5. - S. 665-677.
15. Pat. 2552253 Russian Federation, IPC E02D 27/38 (2006.01). A method for constructing a slab foundation on piles for a reservoir with a low-temperature product [Text] / Khafizov R.M.; applicant Khafizov R.M. - N 2013152417/03; dec. 11/27/2013; publ. 06/10/2015.
X X
o 00 A c.
X
00 m
o
ho o ho ho
