СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОТТАИВАНИЯ МЁРЗЛОГО ГРУНТА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОТТАИВАНИЯ МЁРЗЛОГО ГРУНТА

Слётина Е.В., студент, направление подготовки 08.03.01 Строительство, Оренбургский государственный

университет, Оренбург

e-mail: slyotina.evgenia@yandex.ru

Научный руководитель: Раимова А.Т., кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированного электропривода, электромеханики и электротехники, Оренбургский государственный университет, Оренбург

e-mail: alfiya-2008@mail.ru

Аннотация. В связи с плотной застройкой и с целью предотвращения повреждения подземных коммуникаций при разработке мерзлого грунта в строительстве применение методов искусственного оттаивания является наиболее актуальным. В статье рассмотрены современные методы оттаивания мерзлого грунта, произведен расчет энергетических затрат при оттаивании мёрзлого грунта в г. Оренбурге при помощи трубчатых электронагревателей и при помощи омических нагревателей. Выбран оптимальный метод, требующий меньших затрат электрической энергии.

Ключевые слова: мерзлый грунт, теплоноситель, топливо, электроды, эффективность, энергозатраты, мощность источника, полные затраты.

COMPARATIVE ANALYSIS OF METHODS OF THAWING OF FROZEN SOIL

Slyotina E.V., student, training direction 08.03.01 Construction, Orenburg state University, Orenburg

e-mail: slyotina.evgenia@yandex.ru

Scientific adviser: Raimova A.T., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of automated electric drive, electromechanics and electrical engineering, OrenburgStateUniversity, Orenburg

e-mail: alfiya-2008@mail.ru

Abstract. Due to the dense construction and in order to prevent damage to underground utilities in the development of frozen soil in construction, the use of artificial thawing methods are the most relevant. The article considers modern methods of thawing offrozen soil, the calculation of energy costs in the thawing offrozen soil in the city of Orenburg with the help of tubular electric heaters and using resistive heaters. The optimal method that requires less electrical energy is chosen.

Keywords: frozen ground, coolant, fuel, electrodes, efficiency, energy consumption, source power, total costs

Использование ударных инструментов повышает вероятность повреждения подземных коммуникаций, поэтому в строительстве актуально применение методов искусственного оттаивания мёрзлого грунта [1]. Предварительное оттаивание мёрзлых грунтов оснований позволяет не только уменьшить деформации оснований в процессе эксплуатации, но и сократить сроки выполнения земляных работ, материалоёмкость и стоимость строительства [3].

В строительной практике все методы оттаивания мёрзлого грунта классифицируются по направлению распространения тепла в грунт (поверхностное, глубинное, радиальное оттаивание мерзлого грунта) и по виду теплоносителя. Рассмотрим методы, наиболее часто применяемые в строительстве.

Огневой метод основан на сжигании определённого вида топлива (твёрдого или жидкого) в агрегате звеньевого типа, который состоит из ряда металлических коробов; применяется для отрывки

небольших траншей. Он прост и удобен, однако следует отметить длительное по времени размораживание, высокие тепловые потери, наличие вредных выбросов от сжигаемого топлива.

Метод электропрогрева основан на оттаивании мёрзлого грунта вертикальными и горизонтальными электродами. При помощи данного способа электрический ток пропускают через толщу грунта, который в результате приобретает положительную температуру.

Наименьший расход электроэнергии имеет место в случае оттаивания мерзлого грунта снизу-вверх вертикальными электродами. При необходимости экстренно осуществить оттаивание грунта применяют комбинированный метод, но в этом случает трудоемкость подготовительных работ значительно выше.

Методы оттаивания трубчатыми электронагревателями (ТЭНами) и омическими нагревателями от-

личаются несложностью конструкции, они просты в эксплуатации; их применяют при радиальном оттаивании. Основными недостатками данных методов являются возможность поражения электрическим током и необходимость источника электропитания [4].

Особое внимание следует уделить методу оттаивания грунта паровыми и водяными иглами. Оттаивание грунта паровыми иглами требует расхода теплоты примерно в 2 раза больше, чем метод глубинных электродов. При дороговизне и трудоемкости метода имеет место и большой расход пара. Кроме этого, существует необходимость в паровом котле с утепленными паропроводами. При оттаивании больших площадей применяют электрические

иглы, энергозатраты которых в 2 раза больше, чем при электрическом разогреве.

Оттаивание мерзлого грунта осуществляют и другими методами, например, использованием горячих сыпучих теплоносителей или химическим способом с использованием нагретого раствора реагентов. Однако применение этих методов специфично в силу ряда недостатков.

Рассмотрим пример. Необходимо оттаять равномерно мерзлый грунт основания (песок) под 36-квартирный шестиэтажный жилой дом в г. Оренбурге. Исходные данные для расчета приведены в таблице 1. Расчет основных параметров режима оттаивания приведен в таблице 2 [2].

Таблица 1 - Исходные данные для расчета

№ п/п Наименование параметра Обозначение параметра Значение параметра

1 Глубина залегания верхней поверхности мёрзлых грунтов, м 2

2 Глубина предварительного оттаивания, м h 2

3 Длина нагревателей (в соответствии с Рекомендациями), м К 2 - 1 = 1

4 Площадь оттаиваемого участка, м2 20 х 16 =320

5 Скрытая теплота фазового перехода лёд-вода, кВтч/кг а 0,093

6 Льдосодержание мёрзлого грунта, кг/м3 О 200

7 Плотность песка, т/м3 Р 1,2

8 Теплопроводность талого грунта, ккал/(мч°С) X 0,4

9 Удельная теплоёмкость талого грунта, ккал/(кг°С) Суд 0,19

Таблица 2 - Расчет основных параметров режима оттаивания грунта

Наименование параметра Расчет параметра Значение параметра

Объёмная теплоёмкость талого грунта с, ккал/(м3-°С) с • р уд ' 230,0

Температуропроводность талого грунта а, м2/ч 1 / с 0,002

Продолжительность оттаивания грунта т0, ч 0,11-0,64-ехр[0,767-^(а-ю-Ь2н^2/а)] 69,0

Радиус оттаивания грунта вокруг нагревателя R0, м 3,3-0,71-ехр[0,384-^(а-Ьн^/а/ю)] 1,35

Удельная мощность нагревательного элемента Рн , кВт/м а • ю • R04 / (0,39 • а • S2) 0,77

Полная мощность нагревателей Р. , кВт Р • Ъ . н И1 0,77

Расстояние: - между нагревателями в ряду L, м; - между рядами Н, м 1,73 • R0 1,5 • R0 2,3 2,0

Количество нагревателей на площадке (№) равно 52. Нагреватели располагаем по площади отогрева в 7 рядов, чередуя по 7 и 8 нагревателей в ряду.

-Г^Г

1=2300

I

да

V"

§

1 1

о о г\ л

г 'О \ и ч С > и 1 г 1 { \ с >

к. ) к. ) V. ) V о ) к. ) V. о } У. J

Л ч с л г и* Л N с >

К ) 1. о ) ^ ) V ) ) V ^ у. J

с и* 1 с и с О 1 / с? > ч Г >

) < г\ ) ч Г\ ) У. г\ Г\ } V г\ О J

и и С

1 1

§ 3

I

78000

4

20000

Рисунок 1 - Схема расположения нагревателей

В таблице 3 приведен расчет энергозатрат режима оттаивания грунта [5]. Таблица 3 - Расчет энергозатрат режима оттаивания грунта

Наименование параметра Расчет параметра Значение параметра

Мощность источника электроэнергии с учётом 20 % потерь электроэнергии S, кВА 1,2^ЕР. • N ' 1 48,0

Полные затраты электроэнергии на подготовку грунтов основания путём электрооттаивания W, кВт-ч S • То 3312

Удельные затраты электроэнергии на 1 м3 основания W0, кВт^ч/м3 W/[S•(hн+1)] 5,0

Расчёт электротехнических показателей параметров произведём на примере трубчатых нагревателей (ТЭНов) и омических нагревателей.

Таблица 4 - Исходные данные для расчета нагревателей

Параметр нагревателя Значение параметра

ТЭН Омический нагреватель

Длина одной ветви нагревательного элемента - И, м 1 0,2

Длина ветви нагревательного элемента - Иг, м - 0,8

Плотность тока, протекающего по нагревателю - 1, А/мм2 1,3 1,3

Удельное электрическое сопротивление арматурной стали в рабочем режиме -р , Омм. 110-6 110"6

Удельное электрическое сопротивление арматурной стали в режиме токовода -рт, Омм. - 0,3 10"6

Мощность нагревателя Рн , кВт; - 0,77

Таблица 5 - Основные электротехнические показатели

Электротехнический показатель Расчетная формула ТЭН Омический нагреватель

Диаметр ветви нагревательного элемента d, мм 2,52Т0"2-(Рн /рр)1/2 /1 17 =17

Электрическое сопротивление омического нагревателя ^ Ом 2,55^106 (р •Ъ +р-Ъ /3)М2 =0,0088 =0,0025

Падение напряжения на нагревателях, необходимое для их питания и , В и' 0,785-М2^ 2,6 =0,74

Полная мощность нагревателя Р, кВт и2-10-3/я н 0,77 =0,22

Из проведённого анализа следует, что при оди- нагревателей, имеет меньшее значение, следова-наковом затраченном времени мощность, необходи- тельно, этот способ будет более оптимальным. мая для разработки схемы подключения омических

Литература

1. Донской В. М. Механизация земляных работ малых объёмов / В. М. Донской. - Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1976. - 160 с.

2. Зарецкий Ю. К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. - М.: Стройиздат, 1988. - 352 с.

3. Федотов С. И., Коперин И. Ф., Андреев В. И. Строительство в вечномерзлых грунтах. - М.: Изд-во «Высшая школа», 2008. - 220 с.

4. Фельдман Г. М. Методы расчета температурного режима мерзлых грунтов / Г. М. Фельдман. - М.: Наука, 1973. - 254 с.

5. Черкашин В. А. Разработка мерзлых грунтов. - Л.: Стройиздат, 1977. - 215 с.