Введение
Системы термостабилизации грунтов – устройства, которые применяются в инженерной практике при технической мелиорации грунтов в целях улучшения их строительных свойств (прочностных, деформационных, противофильтрационных) путем замораживания талых или понижения температур мерзлых грунтов. Проектирование мероприятий термостабилизации грунтов (ТСГ) осуществляется с учетом требований таких нормативных документов, как СП 25.13330.2012. «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» и РСН 67-87 «Инженерные изыскания для строительства, составление прогноза изменений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами».
На сегодняшний день существует большое конструктивное разнообразие систем термостабилизации грунтов как в зависимости от решаемых инженерных задач, так и в зависимости от производителя. Кроме того, системы термостабилизации находят свое применение в различных инженерно-геокриологческих, гидрологических и климатических условиях, характеризующихся изменчивостью теплофизических свойств грунтов, зимних температур воздуха и скоростей ветра в достаточно широком диапазоне значений. Все это обуславливает существенную изменчивость показателей эффективности систем термостабилизации, что необходимо учитывать при проектировании.
Основные разновидности систем термостабилизации
Наиболее распространенным применяемым устройством термостабилизации грунтов является сезонно-действующий двухфазный парожидкостной термосифон –термостабилизатор. Как известно, термостабилизатор в общем виде представляет собой полую вакуумированную трубчатую систему, заполненную хладоном. В подземной части термостабилизатора – испарителе - происходит отбор тепла из грунта и его перенос за счет испарения жидкого хладона в надземную часть термостабилизатора – конденсатор, где под воздействием отрицательных температур окружающего воздуха происходит охлаждение и конденсация паров. Охлажденный конденсат стекает в обратно в испаритель.
В зависимости от производителя термостабилизаторов существенным образом могут отличаться геометрические размеры термостабилизаторов. Так в разных моделях диаметр конденсатора изменяется от 61 до 140 мм, шаг ребер от 2,5 до 15 мм, толщина ребер от 0,5 до 2 мм, диаметр испарителя от 32 до 76 мм. Материал конденсатора обычно либо сталь, либо алюминий.
Математическое моделирование работы термостабилизатора показало, что при прочих равных условиях, в зависимости от его конструкции (в первую очередь в зависимости от конструкции конденсатора) эффективность их работы может отличаться на 15-20%.
При решении различных инженерных задач применяются термостабилизаторы вертикальные или с наклонным испарителем. Наклон испарителя может достигать 1-3º к горизонтальной плоскости (пологонаклонные системы). Создание уклона в испарительной части в зависимости от его величины приводит к снижению эффективности работы термостабилизатора в 1,5-2,5 раза.
Примеры применения систем термостабилизации
В современной практике строительства в районах распространения многолетнемерзлых грунтов мероприятия ТСГ применяются для решения многих инженерных задач, в том числе повышение несущей способности грунтов оснований для свайных и плитных фундаментов, уменьшения деформируемости естественных и искусственных грунтов оснований железнодорожного полотна, повышения противофильтрационных свойств грунтов в теле грунтовых плотин, стабилизации мерзлых грунтов вокруг газо- и нефтедобывающих скважин и т.д.
Для повышения несущей способности свай чаще всего применяются вертикальные термостабилизаторы, устанавливаемые в вентилируемых подпольях сооружений (Рис. 1). При этом, в случае увеличения размеров сооружения в плане происходит ухудшение аэродинамических показателей подполья. В результате этого ухудшается обдув конденсатора термостабилизатора, что является в некоторых случаях причиной снижения эффективности его функционирования в 4-5 раз и более.
Фактор уменьшения холодопроизводительности термостабилизаторов во времени
Обычно при проектировании систем термостабилизации грунтов проектировщик в своих теплотехнических расчетах пользуется заявляемой производителем охлаждающих устройств величиной теплосъема с одного погонного метра испарителя. Как правило, производители заявляют ее в пределах 20-30 Вт на метр погонный. В расчетах данный параметр учитывается с учетом его изменения в зимнем периоде пропорционально изменению значений температур воздуха. При этом, в многолетнем периоде полученные значения теплосъема зимнего цикла задаются в прогнозных расчетах неизменными.
В действительности же в процессе функционирования термостабилизатора изменение его холодопроизводительности происходит не только под влиянием динамики температуры воздуха в зимний период (то есть за счет интенсивности отвода тепла с поверхности конденсатора), но и вследствие изменения температуры грунта, окружающего испаритель (за счет изменения интенсивности теплопотока от окружающего грунта).
Так, например, в первые годы функционирования термостабилизатора, когда температура грунта окружающего испаритель относительно высока, холодопроизводительность охлаждающего устройства максимальна. С понижением температур грунтов холодопроизводительность снижается. В ряде случаев понижение температур грунтов на несколько градусов является причиной уменьшения теплосъема в 2-4 раза.
Выводы
Таким образом, при выполнении теплотехнических расчетов грунтовых оснований в ходе проектирования фундаментов с применением систем термостабилизации использование обобщенного значения теплосъема на испарителе термостабилизатора без учета его изменения в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических, климатических условий, а также конструктивных особенностей систем охлаждения может приводить к значительным неточностям в прогнозной оценке температурного состояния грунтов.
ОАО «Фундаментпроект», г. Москва, Волоколамское ш., д. 1, стр.1
Тел.: +7 (499) 800-97-79
fund@fundamentproekt.ru
www.fundamentproekt.ru