CC BY
94
М Инженерный вестник Дона, №5 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2021/6957
Термостабилизация многолетнемерзлых грунтов: технологии и
оборудование
Н.Ю. Ермилова, А.В. Журавлев, В.Ю. Тян Волгоградский государственный технический университет
Аннотация: В статье показаны актуальные проблемы, связанные с освоением северной части России. В северных регионах расположены крупные месторождения рудных полезных ископаемых и углеводородов. Отмечены тяжелые климатические условия этих регионов, и сложности строительства на вечномерзлых грунтах. Особое внимание уделяется актуальности вопроса стабилизации грунтов. Проведен анализ деградации вечно мерзлых грунтов на основе статистических данных изменения среднегодовой температуры, зафиксированной Салехардской метеостанцией. Сделан вывод о том, что при осадке оттаявшего основания возможно разрушение сооружений и техногенные катастрофы. Рассмотрены способы обеспечения стабильно мерзлого состояния грунтов в период сезонного оттаивания. Представлены типы и классификация сезонно действующих охлаждающих устройств. Приводится принцип работы представленных устройств, области применения каждого типа сезонно действующих охлаждающих устройств. Ключевые слова: грунт, термостабилизатор, теплоноситель, конденсация хладон, сезонно-охлаждающие устройства, основание, сооружение, мостостроение, мониторинг.
В конце 1920-х годов северные территории нашей страны стали одними из наиболее динамично развивающихся. Недра северной части России очень богаты полезными ископаемыми, поэтому история освоения этих мест тесно связана с открытиями новых месторождений нефти и газа, уникальных минералов, меди, золота, железных руд и редких металлов. В местах организации добычи полезных ископаемых необходимо было развивать транспортную инфраструктуру, систему логистики и создавать поселения.
Наличие большого количества рек и болот, в районе северных месторождений, требует строительства искусственных сооружений на автомобильных дорогах, проектирование и строительство которых имеет свою специфику. В сложных условиях требуется строить мосты с эффективными пролетными строениями, имеющими минимальный вес с достаточной несущей способностью [1,2]. Наиболее сложными этапами строительства в суровых климатических условиях является возведение фундамента и обеспечение его стабильности. Нагрузки от мостовых
сооружений также должны равномерно распределяться между фундаментами, не создавая зон концентрации [3].
Северные районы характеризуются резко-континентальным климатом: короткое лето, которое длится с середины июня до середины августа, большое количество осадков, туманы, а также низкие температуры в холодный период. С продвижением к высоким широтам прочностные характеристики грунтов ухудшаются. Повышенная засоленность, насыщенность льдом наличие лёссовых грунтов и болот с ледяным водоупором - все это затрудняет строительные работы и создает дополнительные трудности проектировщикам. В северных районах отсутствуют крупнообломочные, гравийно-песчаные и скальные грунты, являющиеся хорошим основанием для строительства транспортных сооружений и коммуникаций. Мерзлые грунты являются надежным и прочным основанием для сооружения, но для обеспечения устойчивости сооружения необходимо обеспечить неизменность основания в период сезонного оттаивания грунта [4].
Проблема стабилизации грунтов основания в северных районах нашей страны с каждым годом становится все более актуальной, что обусловлено изменением, потеплением климата и деградацией вечно мерзлых грунтов. Приведем только один пример изменения температуры зафиксированное Салехардской метеостанцией [5]. Данные приведены в таблице 1.
Таблица 1
Средняя годовая температура воздуха Год Среднее
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Фактическая -5,8 -4,8 -6,0 -3,9 -7,7 -3,7 -4,2 -7,2 -6,9 -3,2 -3,3 -5,2
Нормативная -7,0 -7,0 -7,0 -7,0 -7,0 -7,0 -7,0 -7,0 -7,0 -7,0 -7,0 -7,0
Отклонение 1,2 2,2 1,0 3,1 -0,7 3,3 2,8 -0,2 0,1 3,8 3,7 1,8
Таким образом, наглядно видно, что потепление климата представляет собой необратимый процесс. За десять лет фактическая температура повысилась на 2.5 градуса. Невнимательное отношение к проблемам потепления и оттаивания грунтов основания неминуемо приведет к просадкам сооружений. В некоторых случаях это грозит экологической катастрофой, как, например, разлив дизельного топлива при разгерметизации резервуара.
Вечно мерзлые грунты под сооружениями сохраняют свою структуру и являются надежным основанием, если работают в расчетных отрицательных температурах. Неотложная задача - сохранение грунтов в стабильно мерзлом состоянии [6]. В современном строительстве, как правило, применяют четыре вида сезонно действующих систем стабилизации грунтов: -горизонтальные естественно действующие трубчатые системы (ГЕТ); -вертикальные естественно действующие трубчатые системы (ВЕТ); -глубинные сезонно-охлаждающие устройства (СОУ); -индивидуальные термостабилизаторы.
Рис. 1. Горизонтальные естественно действующие трубчатые системы.
Терморегуляционные системы ГЕТ и ВЕТ (Рис. 1) предназначены для поддержания расчетного температурного режима грунтов и предотвращения тепловыделений под фундаментами сооружений: резервуаров, полигонов ТБО, зданий, железных и автомобильных дорог. ГЕТ-система представляет собой конструкцию из двух частей: подземную и надземную. Подземная, состоит из горизонтальных охлаждающих трубок, служащих для циркуляции хладона и охлаждения грунта. Надземная представляет собой конденсаторный блок, в котором происходит конденсация паров хладона и дальнейшая перекачка его в системе [7].
Глубинные СОУ имеют герметичную неразъемную сварную конструкцию, заправленную хладоном, и применяются для стабилизации грунтов плотин, скважин и прочих сооружений, глубиной не более 100 м.
Рис. 2. 2, а) Глубинные СОУ; 2, б) обслуживание оборудования.
Данные сезонно-охлаждающие устройства можно разделить на следующие виды:
Групповые СОУ - представлены несколькими отдельными термостабилизаторами (Рис. 2), каждый из которых отвечает за термостабилизацию отдельного грунтового горизонта. Их работа обеспечивается естественным обдувом ветра. В настоящее время существует 2 типа групповых СОУ: заводской сборки и собираемые непосредственно на
объекте. Первые имеют рабочую глубину до 50 метров и полностью готовы к работе. Вторые цельнометаллические и работают на глубинах до 16 метров [8].
Коллекторные СОУ - значительно отличаются от ранее перечисленных типов тем, что, обдув труб с ребрами-теплообменниками (надземной части) осуществляется принудительно при помощи вентиляторов (Рис.4). Данные системы целесообразно применять для интенсивного первоначального замораживания грунта, а также в маловетреных районах.
Одиночные СОУ - имеют два типа диаметров подземной части 57 и 89 миллиметров. Рабочее внутреннее пространство устройства заполнено теплоносителем. Заправка и сборка устройства происходит на объекте, рабочая глубина - до 100 м [9].
Рис. 4. Агрегаты воздушного охлаждения коллекторных СОУ.
Индивидуальные термостабилизаторы имеют герметичную неразъемную сварную конструкцию, заправленную теплоносителем (углекислотой или аммиаком), глубина подземной части - до 25 м, высота надземной до 3 м [10]. Данные СОУ применяют для температурной стабилизации талых и пластичномерзлых грунтов под зданиями, эстакадами, трубопроводами, автомобильными и железными дорогами, опорами мостов, ЛЭП и др.
В мостостроении наиболее часто применяются индивидуальные
термостабилизаторы. Они не требуют постоянного обслуживания и мониторинга, а Рис. 5. Схема термо-
также легко монтируются, при этом стабилизатора.
удовлетворяют требованиям обеспечения мерзлого состояния грунтов и надежного основания.
Следует отметить, что при использовании любого из способов термостабилизации грунта необходимо устраивать теплоизоляционные экраны (ТЭ). ТЭ возводят как в комплексе с термостабилизирующим устройством, так и отдельно, под автомобильными и железными дорогами.
Использование эффективных методов стабилизации
многолетнемерзлых грунтов позволяет избежать как небольших дефектов транспортных и промышленных сооружений, так и техногенных катастроф. Постоянное изменение климата оставляет актуальным вопрос о поддержании грунтов в проектных отрицательных температурах.
Литература:
1. Makarov A.V., Kalinovsky S.A. Design features of bimetallic bridges. E3S Web of Conferences. Vol.: 97. XXII International Scientific Conference «Construction the Formation of Living Environment» (F0RM-2019) eds.: A. Volkov [et al.]. [Publisher: EDP Sciences], 2019. 9 p. URL: e3s-conferences.org/articles/e3sconf/pdf/2019/23/e3sconf_form2018_06001.pdf.
2. Ситников С. Л. Современные требования к элементам преднапряжения железобетонных конструкций. Вестник мостостроения. 2015, №1. URL: amost.org/rus/publication/messenger/
3. Makarov A.V., Kalinovsky S.A. Methods of regulating thrust in design of arch bridges. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 451, № 1. International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety (ICCATS 2018) 26-28 September 2018, South Ural State University, Russian Federation / eds A. A. Radionov, D.V. Ulrikh. - [Publisher: IOP Publishing Ltd], 2018. 8 p. URL: iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/451/1/012054/pdf.
4. Хрусталев Л.Н., Пармузин С.Ю., Емельянова Л.В. Надежность северной инфраструктуры в условиях меняющегося климата. М.: Университетская книга, 2011.
5. Стрижков С. Н. К вопросу о качестве работы сезонно-действующих охлаждающих устройств. Журнал «Геоинфо» 2017. URL: geoinfo.ru/product/strizhkov-sergej-nikolaevich/k-voprosu-o-kachestve-raboty-sezonno-dejstvuyushchih-ohlazhdayushchih-ustroj stv-35150.shtml
6. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Стоянов С.А., Залесский К.В. Опыт проектирования, монтажа и эксплуатации систем температурной стабилизации грунтов оснований «ГЕТ» объектов Ванкорского месторождения. Материалы четвертой конференции геокриологов России, 79 июня 2011, Том 3. М.: Университетская книга, 2011, С.273-279.
7. Лебедева М.А., Идиятуллина Э.Ф., Коркишко А.Н. Исследование свойств и характеристик пеностекольного щебня при применении в дорожных конструкциях. Инженерный вестник Дона. 2019. № 9. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_126_7y2019_Lebedeva.pdf_eeb2f758ce.pdf
8. Стрижков С.Н. Повышение надежности геотехнических систем с использованием сезонно-действующих охлаждающих устройств. Научно-технический и производственный журнал «Геотехника». 2015. № 6. С. 34-41
9. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Осокин А.Б. и др. Современная технология строительства оснований и фундаментов на многолетнемерзлых породах с применением парожидкостных охлаждающих установок. Материалы третьей конференции геокриологов России. Том 4. М.: Изд-во МГУ, 2005.
10. Макаров А.В., Журавлев А.В., Тян В.Ю. Особенности строительства фундаментов в вечномерзлых грунтах. Инженерный вестник Дона. 2019. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5501
References
1. Makarov A.V., Kalinovsky S.A. Design features of bimetallic bridges. E3S Web of Conferences. Vol.: 97. XXII International Scientific Conference «Construction the Formation of Living Environment» (F0RM-2019) eds.: A. Volkov [et al.]. [Publisher: EDP Sciences], 2019. 9 p. URL: e3s-conferences.org/articles/e3sconf/pdf/2019/23/e3sconf_form2018_06001.pdf.
2. Sitnikov S.L. Vestnik mostostroyeniya. 2015, №1. URL: amost.org/rus/publication/messenger
3. Makarov A.V., Kalinovsky S.A. Methods of regulating thrust in design of arch bridges. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 451, № 1. International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety (ICCATS 2018) 26-28 September 2018, South Ural State
University, Russian Federation. eds A. A. Radionov, D.V. Ulrikh. [Publisher : IOP Publishing Ltd], 2018. 8 p. URL: iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/451/1/012054/pdf .
4. Hrustalev L.N., Parmuzin S.Ju., Emel'janova L.V. Nadezhnost' severnoj infrastruktury v uslovijah menjajushhegosja klimata [Reliability of Northern Infrastructure in a Changing Climate] M.: Universitetskaja kniga, 2011.
5. Strizhkov S. N. K voprosu o kachestve raboty sezonno-dejstvujushhih ohlazhdajushhih ustrojstv. Zhurnal «Geoinfo» 2017. URL: geoinfo.ru/product/strizhkov-sergej-nikolaevich/k-voprosu-o-kachestve-raboty-sezonno-dejstvuyushchih-ohlazhdayushchih-ustroj stv-35150.shtml
6. Dolgih G.M., Okunev S.N., Stojanov S.A., Zalesskij K.V. Opyt proektirovanija, montazha i jekspluatacii sistem temperaturnoj stabilizacii gruntov osnovanij «GET» obektov Vankorskogo mestorozhdenija. Materialy chetvertoj konferencii geokriologov Rossii, 7-9 ijunja 2011, Tom 3. M.: Universitetskaja kniga, 2011, pp.273-279.
7. Lebedeva M.A., Idiyatullina E.F., Korkishko A.N. Inzhenernyj vestnik Dona. 2019. № 9. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_126_7y2019_Lebedeva.pdf_eeb2f758ce.pdf
8. Strizhkov S.N. Nauchno-tehnicheskij i proizvodstvennyj zhurnal «Geotehnika». 2015. № 6. Pp. 34-41
9. Dolgih G.M., Okunev S.N., Osokin A.B. i dr. Materialy tret'ej konferencii geokriologov Rossii. Tom 4. M.: Izd-vo MGU, 2005.
10. Makarov A.V., Zhuravlev A.V., Tjan V.Ju. Inzhenernyj vestnik Dona. 2019. № 1. URL ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5501
