книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера
..pdf13» Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий
^сооружений |
_________________________________________ |
-231- |
б
Рис. 13.5. Системы охлаждения а) насосная; б) двухконтурная; в) одноконтурная
1 - элемент охлаждения грунта; 2 - насос; 3 - циркуляционный ресивер; 4 - базовый компрессорно-конденсаторный агрегат;
5 - испаритель-конденсатор; 6 - компрессорно-конденсаторный агрегат с компрессором без смазки
- 2 3 2 - |
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых |
объектов в условиях Севера |
Для рассольной системы охлаждения могут быть использованы следующие холодильные машины: ПХС-100, ПХУ-50, ХМ-АВ22/А2, ХМ-АВ22/А1, МКТ40-7-2, МКТ80-7-2, МКТ100- 7-2, МКТ220-7-2, МКТ4-2-0, МКТ20-2-0.
Для двухконтурной системы можно применять следующие компрессорно-конденсаторные агрегаты 1МВВ6-1-2, МВВ4-1-2, МВВ9-1-2, АК40-7-2, АК60-7-2, АК80-7-2.
Для одноконтурной системы необходимо использовать пе редвижные компрессорно-конденсаторные агрегаты без цирку ляции смазочного масла в системе замораживания, в том числе, поршневые компрессоры без смазки цилиндров.
13.5. Проветриваемые подполья
Для сохранения грунтов оснований в вечномерзлом состоя нии, т.е. для стабилизации температурного режима основания на период строительства и эксплуатации широко используются проветриваемые подполья. По режиму охлаждения проветри-- ваемые подполья подразделяются на невентилируемые, венти лируемые только в зимний период и вентилируемые в течение круглого года. По конструктивному исполнению подполья вы полняются открытыми, огражденными с продухами для провет ривания в зимний период холодным воздухом. Продухи могут быть в виде щелей поверху или понизу ограждения подполья; в виде квадратных или прямоугольных окон.
Схема проветриваемого подполья показана на рис. 13.6, 13.7.
Практика строительства и эксплуатации зданий и сооруже ний с проветриваемым подпольем на вечномерзлых грунтах по казала, что использование проветриваемых подполий ограниче но, в основном, шириной здания и районом строительства. В южных районах распространения в ВМГ, где в основном при сутствуют пластичномёрзлые грунты, и мерзлота островная, как правило, наряду с устройством проветриваемого подполья, про изводится замораживание и охлаждение грунтов с помощью систем температурной стабилизации. Опыт эксплуатации пока зал, что проветриваемые подполья можно эффективно исполь зовать при ширине зданий с нормальным тепловыделением до
1 - проветриваемое подполье; 2 - перекрытие над подпольем; 3- ограждение подполья с продухами; 4 - свайные фундаменты; 5- насыпь из непучинистого грунта; 6 - крепление откосов насыпи;
7 - водоотводной лоток; 8 - направление движения воздуха в подполье
зданий оснований грунтов стабилизации температурной Методы(З; ^сооружений
-233-
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 3 4 - объектов в условиях Севера
15 м. При большей ширине зданий необходимо выполнение до полнительных мероприятий: как то увеличение высоты подпо лья, принудительная вентиляция, установка СТС.
Выбор того или иного режима вентилирования определяется теплофизическим расчётом (СНиП 2.02.04-88, Приложение 1).
5
5
Рис. 13.7. Фрагмент схемы ограждения проветриваемого подполья. 1 - ограждение подполья; 2 - крепежный элемент ограждения;
3 - щиты ограждения из профнастила; 4 - продухи;
Jf3^Методытемпературной стабилизации грунтов основании зданий
-2 3 5 -
|t3.6. Вентилируемые охлаждающие трубы, каналы, фундаменты
Сохранение грунтов оснований в мерзлом состоянии можно осуществлять с помощью вентилируемых труб, каналов, уло женных под насыпью или в насыпи под зданиями и сооруже ниями. В зимнее время холодный воздух, проходя по трубам, охлаждает окружающий их грунт и замораживает его, а затем понижает температуру до твёрдомёрзлого состояния. Возможно охлаждение и замораживание грунтов оснований с помощью пространственных фундаментов из коробчатых элементов с вен тилируемыми полостями. На рис. 13.8 приведены различные варианты таких пространственных фундаментов. В зимний пе риод через полости производится вентилирование холодного воздуха либо за счёт ветрового напора, либо принудительным способом с помощью вентиляторов.
Вентилируемые трубы, каналы в основании зданий
Горизонтальные вентиляционные каналы с естественным или принудительным движением воздуха нашли наибольшее распространение при строительстве объектов обустройства на ст. Обская, в пос. Ямбург и в городе Якутск и Воркута. Каналы выполняются в виде стальных труб диаметром 325 мм ... 1000мм или железобетонных каналов 1000x500мм ...1500x1500 мм.
Основными недостатками при эксплуатации вентиляцион ных каналов, труб и пространственных фундаментов являются:
высокие эксплуатационные затраты на электроэнергию и обслуживающий персонал, обеспечивающий эксплуатацию вен тиляторов и электрических систем;
высокие эксплуатационные затраты на периодическую очи стку каналов от загрязнений;
низкая надежность системы вентилирования, связанная с загрязнением и затоплением каналов и полостей талыми водами, поломками вентиляторов.
Холодные сваи
Воздушные охлаждающие термоопоры (сваи) рекомен дуется использовать в качестве опор линий электропередач, мачт молниезащиты, прожекторных мачт, опор внутриплоща-
Механика мерзлых грунтов н принципы строительства нефтегазовых - 2 3 6 - объектов в условиях Севера
дочных надземных трубопроводов и инженерных коммуни каций.
Воздушная термоопора (свая) состоит из герметичного трубчатого корпуса 1, частично выступающая над поверхностью грунта, и направляющего устройства 2, расположенного внутри корпуса (рис. 13.9). Корпусом служит свая диаметром 159- -325 мм, длиной от 6 до 1 Ом (по расчёту).
Рис.13.8. Фундаменты из коробчатых элементов:
а- ленточный; 6 - столбчатый; в - плитный.
1- коробчатый элемент; 2 - вентилируемая полость; 3 - верхний пояс; 4 - нижний пояс; 5 - наклонные элементы; 6 - шорная плита.
|3, Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий
^сооружений____________________________________________ ______________ ______________j _ |
- 2 3 7 - |
2
Рис. 13.9. Схема воздушной термоопоры (сваи).
1 - корпус опоры; 2 - оголовок опоры; 3 - оребрение выступающей части опоры; 4 - направляющие полиэтиленовые трубки; 5 - опорный стержень; 6 - бандаж; 7 - направление движения воздуха;
8 - сезоннооггаивающий слой грунта
Несущие элементы верхней части опоры устанавливаются в зависимости от вида крепления конструкции (стоек линий электропередач, ростверков прожекторных молниезащитных
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - Z 5 о - объектов в условиях Севера
мачт, ростверков под трубопроводы и др.). Направляющее устройство представляет собой двухтрубную систему, состоящую из верхней и нижней направляющих труб, обеспечивающих циркуляцию воздуха. Процесс охлаждения грунта происходит по следующей схеме. В зимний период холодный воздух внутри термоопоры опускается по нижней трубе. В нижней части корпуса термоопоры воздух нагревается за счёт тепла от грунта и поднимается по верхней трубе вверх, Ё выступающей части термоопоры вновь охлаждается. Таким образом, цикл повторяется. Происходит охлаждение и аккумулирование «холода» в грунте, причём процесс охлаждения грунта осуществляется снизу вверх. Это позволяет удерживать опору от сил морозного пучения при промерзании деятельного слоя поверхности. Рекомендуется в корпус заливать небольшое количество воды в объёме 1-1,5 л. Добавка воды обеспечивает образование внутри выступающей части ледяных игл, повышающее теплоотдачу от внешней поверхности в атмосферу.
Натурными наблюдениями работы термоопор (свай) из труб диаметром 219мм установлено, что за зимний период во круг корпуса намораживается грунт размером до 1,5 - 1,8м. Спо соб погружения термоопор - только бурооопускной.
13.7. Сезоннодействующие охлаждающие устройства (СОУ)
В настоящее время строительство зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов ведется, как правило, с использованием сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ), позволяющих в зимний период заморозить талые и понизить температуру пластичномерзлых грунтов. Се зоннодействующие охлаждающие устройства, в зависимости от вида теплоносителя подразделяются:
устройства с однофазным теплоносителем; устройства с двухфазным теплоносителем.
СОУ представляют собой тепловую трубу гравитационного типа, внутри которой происходят процессы тегоюмассопереноса. В качестве теплоносителей СОУ используются: в устройст
;j3;Методы температурной стабилизации грунтов оснований зданий ^Сооружении______________________________________________________________ - Л 5 у -
вах с однофазным теплоносителем незамерзающие жидкости - кфосин, дизельное топливо и др.; в устройствах с двухфазным теплоносителем - аммиак, пропан, фреон-12, фреон-22, углеки слота.
СОУ могут быть вертикальные, наклонные слабо наклон ные, почти горизонтальные по их расположению на строитель ной площадке.
Замораживание таликов и охлаждение пластичномёрзлых грунтов происходит в зимний период без энергетических затрат, за счёт использования естественного холода. Условием работы СОУ (активный режим) является наличие разности отрицатель ной температуры воздуха и грунта. Если температура воздуха ниже, чем температура грунта он работает, происходит процесс ■циркуляции теплоносителя, если наоборот, СОУ замыкаются (пассивный период).
В течение 2 - 2,5 месяца в зимний период достигается соз дание в основании сооружения, по всей площади контура, низ котемпературного массива. Каждый последующий год происхо дит накопление холода в основании здания. При соблюдении проектной технологии погружения свай и известной температу ре; замеренной в процессе строительства и эксплуатации здания, с высокой степенью достоверности можно рассчитать несущую "способность любого фундамента под сооружением на любой период времени в течение года. Более того, можно прогнозиро вать изменение несущей способности грунта при изменении граничных условий взаимодействия системы сооруже- ние-атмосфера-грунт.
Ежегодное накопление холода в основании зданий соору жений обеспечивает надёжность основания и при значительных Изменениях температурного режима окружающего воздуха, на пример, в процессе наступления глобального потепления клима та. Глобальное потепление климата вызовет изменения в струк туре вечномерзлых грунтов. Не вдаваясь в теоретические осно вы процессов формирования вечномёрзлых грунтов, отметим, что при глобальном потеплении климата оттаивание их будет происходить, начиная с нижней границы. Постепенно будет уменьшаться мощность вечномёрзлых грунтов. Как правило, толща вечномёрзлых грунтов ниже 10-15м малольдиста и при оттаивании этой толщи не возникает осадок. Однако, у дневной
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 4 0 - объектов в условиях Севера
поверхности, на границе атмосфера-грунт повышение среднего^ довой температуры воздуха на 2-3°С (как предполагается при глобальном потеплении климата) не вызовет существенного из менения температур в верхней толще льдонасыщенной мерзло ты в пределах 10-15м глубины. Это строительная глубина, в пределах которой располагаются фундаменты, инженерные коммуникации.
При этом желательно, чтобы глубина этой зоны охватывала всю толщу льдосодержащего мёрзлого грунта.
Индивидуальные сезогтоодействующие охлаждающие СОУ
Устройства с однофазным теплоносителем. В устройст вах с однофазным теплоносителем в качестве рабочего тепа обычно применяют незамерзающую жидкость (жидкостные уст ройства) или газ (газовые, в частности, воздушные устройства)! Эти устройства имеют замкнутый циркуляционный контур.
Простейшим представителем их является устройство (рис 13.10, а), выполненное в виде герметично закрытой трубы, час тично погруженной в грунт и заполненной жидкостью незамер зающей при температурах до минус 50-60°С. Работоспособность таких установок низка из-за возникновения множества коротких циркуляционных контуров по глубине, резко снижающих эф фективность продольного теплопереноса. Особенно сильное смешение происходит в зоне перераспределения потоков на уровне деятельного слоя грунта, где нисходящий холодный по ток перетекает в центр канала подземной части, а восходящий теплый поток - в центр канала надземной части.
Этот недостаток устраняют двух- и многотрубные конст рукции (рис 13.10, б) и однотрубные с внутренней циркуляци онной трубой (рис 13.10, в). Восходящие и нисходящие потоки, возникающие за счет естественной разности температур в этих устройствах разделены конструктивно. Однако восходящие по токи в них охлаждаются воздухом, а нисходящие нагреваются грунтом, что существенно снижает общий перепад температур, обусловливающий движущую силу потоков, ухудшает продоль ный теплоперенос и теплообмен со стенками СОУ.