CC BY
8Предотвращение осадок одноэтажных промышленных зданий на территории Южной Якутии
см см о см
о ш т
X
3
<
т О X X
Косарев Леонид Владимирович
кандидат технических наук, доцент кафедры строительного дела, Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова в г. Нерюнгри, leonid_kossarev@mail.ru
Вавилов Виктор Иванович
кандидат технических наук, доцент кафедры строительное дела, Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова в г. Нерюнгри, vavilov-1950@bk.ru
Костюкова Юлия Сергеевна
студент Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова в г. Нерюнгри, jkostucova@gmail.com
Статья посвящена способам предотвращения осадок одноэтажных промышленных зданий в условиях вечной мерзлоты. Для начала рассматриваются характеристики грунтов местности, а затем - особенности строительства зданий. Выявлены причины возникновения осадок, проработан вопрос применения способов их прекращения. Предлагаются решения подобной проблемы - поднятие колонн или заморозка грунтов основания. Рассматривается каждый из них на основе практического применения. При необходимости поднятия колонн приводится чертеж осуществления технологии данного процесса. Поясняются работы, сопутствующие демонтажу основания колонны и дальнейшей эксплуатации домкрата. Описывается применение технологии заморозки грунтов основания при помощи термостабилизаторов, их разновидности, монтаж и принцип работы каждого типа. Приводится система холодоснабже-ния, которая характеризуется наличием такого оборудования, как: компрессорный агрегат, конденсат, ресивер и трубы. Представлены работы по пусконаладке СХС и проверки работоспособности, а также указана система холодоснабжения применяемая в таком случае. Для исследования динамики заморозки, к системе термостабилизаторов идут сенсорные экраны и система контроля за температурами. Для лучшего понимания проведения мониторинга по заморозке грунтов приведена диаграмма понижения температур в скважинах. Ключевые слова: термостабилизатор, многолетнемерзлые грунты, колонны, компрессор, СХС, промышленные здания, одноэтажные, металлоконструкции.
Введение
На территории Якутии присутствуют многолетне-мерзлые грунты, но их расположение неравномерно. В зависимости от места различаются деятельные слои грунтов. Конкретно на северном побережье, за полярным кругом и в горной местности он составляет - 0,5-2 м, в средней части (центральной) - 2-3 м, Южной Якутии - 3-3,5 м. Чем ближе к более мягкому климату, тем теплее грунты: на севере температура начинается от -12, а на юге уже может достигать до +1 и более - в зависимости от сезона и интенсивности высоких температур [1]. Так как Южная Якутия значительно отличается по климату, у нее присутствуют некоторые особенности при возведении зданий.
Инженерно-геологические изыскания в Республике проводятся с особой тщательностью на глубине фундамента с небольшим увеличением, то есть на величину деятельного слоя и дополнительно десяти метров. В совокупности изучается пласт грунтов мощностью 12-15 м. Бывает, что исследования необходимы еще ниже или ими просто пренебрегают, потому что на уровне нужного деятельного слоя и основания никаких явлений, которые могут спровоцировать «падение» конструкций, не наблюдается. Также в связи с изменением климата или аномальной температуры в жаркие месяцы может происходить деградация мерзлоты.
Методы и материалы
В Южной Якутии промышленные тяжелые здания из металлоконструкций в основном ставят на сваи или столбчатый фундамент. При нормальных условиях такая конструкция способна выстоять, и осадки у нее могут наблюдаться только первый год после ввода в эксплуатацию. Большая часть территории их возведения сложена из вечномерзлых, щебенистых (крупно-обломочных) и песчаных со слабой мощностью грунтов. При отклонениях от нормальных условий в климате в подобных грунтах способна образоваться линза в случае деградации вечной мерзлоты или льда в глубоких пластах грунтов, или при игнорировании информации о наличии водного пространства под зданием.
Наличие линзы и ее рост опасны тем, что неизвестно, как поведет себя конструкция, какого типа будут происходить осадки. При большом, неравномерном и стремительном «падении» промышленного здания необходимо принимать меры по его «поднятию». Существуют такие методы борьбы с осадкой здания: поднятие колонн/конструкций с заморозкой грунтов под фундаментом и реконструкция - полная или частичная, на усмотрение генподрядчика. По технико-экономическим показателям намного выгоднее осуществлять поднятие колонн при помощи домкратов, а если осадка продолжается, то следует произвести работы по заморозке грунтов. Данный метод более распространен в Южной Якутии, в особенности на горнодобывающих комплексах.
Это связано с тем, что грунты ползучие и что в таких условиях чаще падает выбор на свайный фундамент. Таким образом, проще усилить основание, не трогая конструкцию фундаментов и самого здания. Выбор падает на компрессоры вертикальные или компрессионную воронку. В случае наличия множества тяжеловесного оборудования, распределения осадок по всей территории промышленного здания выгоднее использовать компактные штучные компрессоры.
Прежде чем устанавливать компрессоры, стоит провести мероприятия по поднятию колонн домкратами вместе с базой. Это возможно осуществить без рисков, так как соединение ростверка с базой является не жестким, а шарнирным. Оно представляет из себя крепление при помощи анкерных болтов или «шпилек». Перед этим производят демонтаж стеновых сэндвич-панелей, фахверков, стяжки и вообще того, что мешает осуществлению процесса. Следом идет монтаж косынки для крепления домкратов на колонны, стульчиков для опирания колонн и изготавливают фасонные элементы в виде подкладочных пластин. Затем осуществляют само поднятие, при котором домкраты опираются на ростверк, в зазор вставляются пластины из стали, которые между собой свариваются (рис.1). Применяют гидравлические домкраты грузоподъемностью тысяча тонн, а ход штока (перемещение поршня за одно нажатие на горизонтальную упорную площадку), высоту подхвата (минимальная высота, на которую домкрат способен поднять) определяют по ППР[4,5].
При продолжающихся осадках уже осуществляют меры по заморозке. Если после замерзания осадки остановились, то на поднятую длину конструируют опалубку, армируют и бетонируют вместе со стальными пластинами. Монтируют на поднятую высоту куски сэндвич-панелей. Наблюдают за поведением оконных и дверных блоков, входными группами. Если происходят их повреждение, значительная деформация, производится монтаж новых лестниц, ворот, окон и дверей. Заливают пол до нулевой отметки.
Рис. 1. Пример схемы монтажа фасонных элементов на колонны
Для производства работ разрабатывается ППР, на основе которого сначала бурят скважины согласно проекту. По ситуации могут устанавливать как снаружи, так и внутри. В зависимости от расположения будет зависеть тип вертикального компрессора.
Для заморозки основания за периметром здания применяют классические термостабилизаторы грунта (рис.2 и табл.№1). Они работают по принципу перепады давления между испарителем и конденсаторов при понижении температуры грунта на 8+10 градусов. В результате жидкий хладон начинает интенсивно испаряться с поглощением тепла. Пары хладона поднимаются в конденсатор за счет разряжения, где он охлаждается и конденсируется по внутренней стороне, стекая в испаритель. Подобный цикл работает в период октябрь-апрель в Южной Якутии, то есть в сезон холодов.
Таблица 1
Характеристики классического термостабилизатора с использованием внешних температур
Марка
Рабочее тело
Материал оребрения конденсатора
Материал корпуса испарителя
Длина термостабилизатора, Н
Высота конденсатора, А
Характеристики
Высота надземной части
Длина испарителя
Диаметр оребрения конденсатора, О
Диаметр испарителя, d1
Режим работы
Масса заправленного хладона
Коэффициент теплоотдачи (У=3 м/с)
Масса термостабилизатора
Показания
ТСГ.В38-12
Хладон
Сплав АД-1
В20
12100
1240
Проектная
10860
65
38
Октябрь - апрель
1,8
38,1
38
Рис.2. Эскиз
I (испаритель)
А (конАенсатор)
Запрабочный узел /
классического термостабилизатра
Монтаж такого стабилизатора осуществляется либо в обсаженных скважинах, либо в скважинах с буровым шламом. Так как на территории Якутии во время бурения не получается достаточно шлама, то применяют обсадные трубы (гильзы) с заполнением затрубного пространства незамерзающей жидкостью (раствором эти-ленгликоля) или глинистым раствором. Заполнение межтрубного пространства осуществляется кварцевым песком фракции 0,4-0,8 мм. Во избежание разгерметизации на этом объекте уже запрещается проводить работы по нарушению конструкции фундамента или земляные работы. Запрещается механически воздействовать на конструкции [2].
Для внутренней заморозки основания применяют вертикальные анкерные термостабилизаторы с гибким корпусом, но принудительного действия (рис.3 и табл.№2). Его корпус выполнен из труб различного диаметра, соединенных электродуговой сваркой, и имеет
I I О
ГО >
п.
I
го т
о
2 О
ю 2
см о сч
О Ш СО
<
со
0
1
два независимых контура. По его длине выделяют конденсатор, транзитный участок и испаритель. Конденсатор у него представляет собой змеевиковый трубчатый теплообменник. Его концы посредством втулок заправочного штуцера выведены наружу для подключения к контуру системы холодоснабжения.
Таблица 2
Характеристики анкерного термостабилизатора принудительного действия
Марка
Рабочее тело
Антикоррозийное покрытие
Материал корпуса испарителя
Длина термостабилизатора, Н
Высота конденсатора, А
Длина транзитного участка
Характеристики
Длина активного участка
Диаметр оребрения конденсатора, Р
Диаметр испарителя, d1
Диаметр жесткой части
Масса заправленного хладона
Номинальная тепловая мощ-
ность
Масса термостабилизатора
Показания
ТСГ.ВАК 38-11/2
Хладон
Гальванол
В20
11065
920
9895
6750
75
38
250
1,65
100/150
18,65
Активный участок (испар-ль)
Конденсатор
Узел подключения/
Транз.уч-ок и разделитель потокой/
Рис.3.Габаритная схема анкерного термостабилизатора принудительного действия
По длине корпуса ниже конденсатора выделяют транзитный (пассивный) и испарительный (активный) участки. Длина активного участка фиксирована при изготовлении (рис.5). Термостабилизатор заправлен частично нетоксичным и взрывобезопасным хладоном. Транзитный участок и испаритель погружаются в пробуренные обсаженные скважины. Работает по тому же принципу, что и предыдущий, но цикл круговорота хладона продолжается до тех пор, пока функционирует контур СХС.
Монтаж незначительно отличается тем, что глубина скважины должна быть больше самого термостабилизатора на 1 м. Диаметр скважины предварительно обсажен и составляет не менее 73 мм, а межтрубное пространство заполняется только кварцевым песком [2].
Последним шагом проводят систему холодоснабжения. Устанавливается компрессорный агрегат и конденсат (рис.4), которые удовлетворяет нас по всем характеристикам в утвержденном ППР. В его состав входит несколько компрессоров, ресивер, маслоотделитель, ресивер масляный, отделитель жидкости и электрошкаф для системы автоматизированного управления. От него протягивают сети СХС (системы холодоснабжения) [3]. Она сформировывается в связке с компрессорным оборудованием и трубопроводов со специальной термоизоляцией. Пусконаладка и снятие замеров осуществляются в соответствии с СТО НОСТРОЙ 2.15.181-2015 (п.7.1.5 - 7.1.10), где говорится, что:
1. Температуры газов и жидкостей в диапазоне температур -40...-60 градусов Цельсия следует измерять термометрами с ценой деления не более 0,5 градусов Цельсия, а при температурах ниже -60 градусов Цельсия - не более 1;
2. Для измерения температуры жидкостей в трубопроводах применяют гильзы;
3. Если поверхность не теплоизолированная, то следует измерять термометрами или пирометрами класса 1,0;
4. Для измерения давления в СХС применяются манометры различной конструкции с классом не ниже 1,5 и диаметром корпуса не менее 160 мм;
5. Частоту вращения рабочего колеса вентиляторов градирен и насосов определяют оптическим тахометром или тахометром частоты вращения вала рабочего колеса, который устанавливается непосредственно на вал электродвигателя.
Результаты и обсуждения
В основном монтируют одноконтурную систему холодоснабжения, и для нее производят настройку балансировочных клапанов на узлах регулирования потребления холода, определяют рабочую точку насосной установки и проверяют выключение/включение компрессора установки. Еще проверяют задержки холодильной установки (цикл работы). Если задержка менее 6 мин, то устанавливают аккумулирующий бак, объем которого определяют по формуле:
^т^сх^х^^-^
где QXшуст - холодопроизводительность холодильной установки, кДж/ч;
Ь - коэффициент рабочего времени холодильной установки, 0,7 < Ь < 0,8;
сх - удельная теплоемкость холодоносителя, кДж/кг*°С;
т - продолжительность работы до отключения;
рх - плотность холодоносителя;
£х.к.,£х.н. - начальная и конечная температуры холо-доносителя;
Утр - объем трубопроводов холодоносителя [6, 7].
Двухконтурную тоже могут применять, если случай осадков здания наиболее серьезный и если требуется заморозка не только вертикально по наружнему и внутреннему контуру, но и в горизонтальном направлении. Эта система также увеличивает мощность и ускоряет заморозку грунтов.
Рис.4. Компрессорный агрегат и конденсат
, также проводятся работы по монтажу управляющей термометрической скважины, с помощью которой осуществляют контроль за температурами. На основе термозамеров делают выводы по темпам заморозки (рис.5).
Рис.5. График заморозки основания на одну скважину
Таким образом, в Южной Якутии стабилизируют мерзлые грунты для промышленных одноэтажных зданий с металлическим каркасом при помощи термостабилизаторов, а сопутствующие им работы являются: поднятие колонн, демонтаж мешающих этому конструкций и установка системы холодоснабжения. По затратам это намного экономнее, чем реконструкция здания. Причем данные мероприятия способны не только остановить текущие осадки, но и предотвратить появление новых линз в толще грунтов из-за возможной деградации вечной мерзлоты, а также уменьшить влияние подземных вод на основание и фундамент. В дальнейшем СХС предприятие может применять не только для поддержки здания, но и провести трубопроводы в другое место, например, для кондиционирования воздуха в помещении, где необходима низкая температура.
Литература
1. Мучина А.В., Николаев А.А. Анализ температуры грунтов и мощности деятельного слоя Якутии // Успехи современного естествознания. - 2021. - № 10. - С. 9599;
2. Актуальность применения термостабилизаторов грунта в криолитозоне. URL: https://www.nponorth.ru/ (дата обращения: 30.09.2022);
3. Оборудование для заморозки грунтов. URL: https://aircool.ru/stroitelstvo_pod_kluch/zamorozka_grunto v/ (дата обращения: 01.10.2022);
4. СП 70.13330.2012. Свод правил. Несущие и ограждающие конструкции. Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87. - М.: Госстрой, 2013. - с.38, 74;
5. СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции" Актуализированная редакция СНиП 11-23-81* (утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ от 27 февраля 2017 г. N 126/пр). - М: Минстрой, 2017. - с.6-8;
6. СП 60.13330.2016 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003 (с Изменением N 1) - М: Минстрой, 2017. - с.104;
7. Р НОСТРОЙ 2.15.4-2011. Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Рекомендации по испытанию и наладке систем отопления, теплоснабжения и холодоснабжения - М: ИСЗС-Консалт, 2012. - с.8-81.
Prevention of settlement of one-story industrial buildings in the territory
of South Yakutia Kosarev L.V., Vavilov V.I., Kostyukova Yu.S.
North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov in Neryungri JEL classification: L61, L74, R53_
The article is devoted to ways to prevent settlement of one-story industrial buildings in permafrost conditions. To begin with, the characteristics of the soils of the area are considered, and then the features of the construction of buildings. The reasons for the occurrence of sediments have been identified, and the issue of applying methods for their termination has been worked out. Solutions to a similar problem are proposed - raising the columns or freezing the foundation soils. Each of them is considered on the basis of practical application. If it is necessary to raise the columns, a drawing of the implementation of the technology of this process is provided. The work related to the dismantling of the base of the column and the further operation of the jack are explained. The application of the technology of freezing base soils with the help of thermal stabilizers, their varieties, installation and the principle of operation of each type are described. A refrigeration system is presented, which is characterized by the presence of such equipment as: a compressor unit, condensate, a receiver and pipes. Works on the commissioning of the SHS and performance checks are presented, as well as the refrigeration system used in this case is indicated. To study the dynamics of freezing, touch screens and a temperature control system go to the system of thermal stabilizers. For a better understanding of the monitoring of soil freezing, a diagram of the decrease in temperatures in the wells is given. Keywords: heat stabilizer, permafrost, columns, compressor, SHS, industrial
buildings, one-story, metal structures. References
1. Muchina A.V., Nikolaev A.A. Analysis of soil temperature and thickness of
the active layer of Yakutia // Successes of modern natural science. -2021. - No. 10. - P. 95-99;
2. The relevance of the use of soil thermal stabilizers in permafrost. URL:
https://www.nponorth.ru/ (date of access: 09/30/2022);
3. Equipment for soil freezing. URL: https://aircool.ru/stroitelstvo_pod_kluch/zamorozka_gruntov/ (date of access: 01.10.2022);
4. SP 70.13330.2012. Set of rules. Bearing and enclosing structures. Updated
version of SNiP 3.03.01-87. - M.: Gosstroy, 2013. - p.38, 74;
5. SP 16.13330.2017 "Steel structures" Updated version of SNiP II-23-81*
(approved by order of the Ministry of Construction and Housing and Communal Services of the Russian Federation of February 27, 2017 N 126/pr). - M: Minstroy, 2017. - p.6-8;
6. SP 60.13330.2016 Heating, ventilation and air conditioning. Updated
edition of SNiP 41-01-2003 (with Amendment N 1) - M: Minstroy, 2017. -p.104;
7. R NOSTROY 2.15.4-2011. Engineering networks of buildings and
structures are internal. Recommendations for testing and adjustment of heating, heat supply and refrigeration systems - M: ISZS-Consult, 2012. - p.8-81.
X X
о го А с.
X
го m
о
м о м м
