Главным направлением в практике северного строительства является сохранение состояния мерзлых грунтов на территории деятельности человека. На севере России сосредоточены большие объемы природных ресурсов (уголь, торф, нефть, газ). При этом из-за климатических условий создаются трудности при проведении разведки и последующей транспортировке исследуемых запасов. В летний период при оттаивании грунтов на магистральных трубопроводах уменьшается прочность их характеристик. Как следствие могут произойти разрывы трубопроводов, разливы нефтепродуктов, что вызовет экологическую катастрофу.
Невозможно спрогнозировать частоту, интенсивность и вероятность экологического бедствия при аварийном разливе нефти. Все это различается и зависит от различных техногенных и природных факторов. Сейчас важно обеспечить безопасность магистральных трубопроводов. Наиболее эффективным в этом плане способом поддержания и при необходимости усиления мерзлоты грунта является применение термостабилизаторов. Данные охлаждающие устройства необходимы для повышения несущей способности грунта путем его охлаждения и замораживания [1].
Важной проблемой территории Крайнего Севера являются деформации (просадки, термокарстовые образования), возникающие в результате протаивания грунтов. Анализ фундамента при проведении строительных работ в условиях вечной мерзлоты показывает, что применение бетонируемых конструкций необходимо только при строительстве больших объектов (мостов и т. п.), в других случаях надо использовать сборные конструкции.
Рис. 1. Термостабилизация мостов на мерзлых грунтах
Сейчас при строительстве и ремонте автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты применяют технологию температурной стабилизации мерзлых грунтов с методами защиты грунтов от деградации (рис. 1).
Термостабилизаторы необходимы для замораживания талых и охлаждения многолетнемерзлых грунтов в болотистой местности или на пучинистых грунтах. Они представляют собой холодильные устройства, которые работают за счет низких температур воздуха в зимний период, аккумулируя холод в грунте на летний период. За счет постоянной циркуляции хладагента термостабилизаторы низкозатратны. Часто охлаждающие устройства применяют в качестве средства при морозном пучении. Для обеспечения устойчивости наземных трубопроводов применяют методы свайного строительства [2, 3].
В современных термостабилизаторах применяют такие хладагенты как сжиженный аммиак или диоксид углерода. Использование керосина или фреона запрещены из-за пожароопасных свойств первого хладагента и озоноразрушающих второго.
Таким образом, термостабилизаторы — это трубчатая холодильная машина бесскомпрессорного типа использующая конвекционные свойства хладагента при разнице в температуре между грунтом и воздухом снаружи. При низких температурах хладагент конденсируется в радиаторе-конденсаторе, который расположен в верхней части устройства. Затем хладагент стекает в испарительную часть, находящуюся внизу, забирая тепло грунта и охлаждая его до температуры ниже температуры замерзания. При этом хладагент испаряется и попадает в верхнюю часть термостабилизатора. Схема стандартного охладительного устройства приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема термостабилизатора грунта: 1 — воздушный конденсатор; 2 — испаритель; 3 — грунт; 4 — хладагент; 5 — тепловой поток от охлаждаемого грунта
Данный механизм согласуется с теплообменом в системе «труба в трубе» (рис. 3).
Рис. 3. Тепловой поток в системе «грунт — термостабилизатор — атмосфера»: 1 — корпус испарителя; 2 — гильза; 3 — тепловой поток Q; 4 — теплоноситель; 5 — грунт; 6 — хладагент; Н — расчётный параметр, м
Донная часть внутренней трубы (стандартный термостабилизатор) заполнен хладагентом, кольцевой воздушный промежуток между корпусом и полугерметичной гильзой заливается теплоносителем. Затем отбор тепла новым термостабилизатором грунта от замораживаемого грунта происходит через стенку гильзы. Теоретически теплопередачу в системе «мерзлый грунт — термостабилизатор» можно описать формулами.
Для расчёта количества теплоты Q, передаваемого через теплообменную поверхность S, справедлива формула:
Q = ∫s kΔTdS,
где k — коэффициент теплопередачи между начальным источником тепла (грунт) и конечным поглотителем тепла (хладагент) через разделяющую их преград), Вт/(м2·К);
ΔT — разность температур грунта и хладагента, К.
Коэффициент теплопередачи k для цилиндрических стенок рассчитывается по формуле:
где λст — теплопроводность стенки, Вт/(м·К);
d1, d2 — внутренний и наружный диаметры трубы, м;
α1,2 — коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2·К);
l — длина трубы, м.
Применение термостабилизаторов позволило существенно увеличить площадь замораживаемого грунта вокруг изделия, уменьшить количество термостабилизаторов на единицу площади и обеспечить экономию материальных, трудовых ресурсов и сокрaтить время строительных работ.
Литература:
- Bayasan, R. M. The experience of thermalstabilization technology application for engineering protection of bases of structuresin permafrostregions / R. M. Bayasan, T. V. Bayasan, A. D. Lobanov, G. P. Pustovoit // Материалы международной научной конференции МАИГ «Инженерная защита территории и безопасность населения: роль и задачи геоэкологии, инженерной геологии и изысканий», 6–8 сентября 2011 г. — М. — C. 58.
- Долгих, Г. М. Практический опыт строительства оснований зданий и сооружений в условиях ВМГ / Г. М. Долгих, С. Н. Окунев, Ю. Э. Кинцлер. Тюмень, ООО НПО «Фундаментстройаркос». — 2002.
- Яковлев, Р. Н. Универсальный фундамент. Технология ТЭсе./ Р. Н. Яковлев. — Изд-во «Аделант». — 2006. — 271 с.
