Формирование температуры грунтов оснований при использовании сезонно-охлаждающих устройств (СОУ) в условиях криолитозоны центральной Якутии

Ефимов Василий Моисеевич заместитель директора, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск 677000, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1, каб. 101 Efimov Vasilii Moiseevich Deputy Director, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 677000, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1, office #101 bmr2008@list.ru Другие публикации этого автора     Попенко Федор Елисеевич кандидат геолого-минералогических наук директор, Научно-внедренческий центр "Геотехнология" 677000, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Вилюйский Тракт 5, 1/1 Popenko Fedor Eliseevich PhD in Geology and Mineralogy Director, the department of Scientific Implementing Center “Geotechnology” 677000, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Vilyuiskii Trakt 5, 1/1 geotechnologia@mail.ru Другие публикации этого автора     Рожин Игорь Иванович доктор технических наук в.н.с., Институт проблем нефти и газа СО РАН 677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1 Rozhin Igor Ivanovich Doctor of Technical Science Leading Scientific Associate, Institute of Oil and Gas Problems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 677980, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1 i_rozhin@mail.ru Другие публикации этого автора     Степанов Анатолий Викторович доктор технических наук г.н.с., Институт физико-технических проблем Севера СО РАН 677677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1 Stepanov Anatolii Viktorovich Doctor of Technical Science Chief Scientific Associate, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 677980, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1 a.v.stepanov@iptpn.ysn.ru Другие публикации этого автора

Большев Константин Николаевич кандидат технических наук с.н.с., Институт физико-технических проблем Севера СО РАН 677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1 Bol'shev Konstantin Nikolaevich PhD in Technical Science Senior Scientific Associate, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 677000, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1 k.bolshev@mail.ru

Введение

Сезоннодействующие охлаждающие установки (СОУ) нашли широкое применение в северном строительстве при усилении фундаментов зданий и их оснований, сложенных пластичномерзлыми и талыми дисперсными грунтами; при устройстве противофильтрационных экранов и мерзлотных завес.

Статья посвящена формированию температурного поля в грунтах оснований при использовании сезонно-охлаждающих устройств.

Рис. 1. Сезоннодействующие охлаждающие устройства на объекте «Спортивный комплекс «Триумф» в г. Якутске»

Описание метода исследования

Принято считать, что эффективность работы сезоннодействующих охлаждающих установок оценивается по скорости формирования расчетного температурного режима в основаниях инженерных сооружений.

Лабораторными опытами подтверждено, что формирование сложных слоисто-сетчатых криотекстур происходит со скоростью 0,3 - 0,5 см/сут, массивных со скоростью > 0,5 см/сут ^[1]. В реальных условиях скорость промерзания варьирует от 0,5 см/сут в нижней части разреза до 4 см/сут в верхней части разреза (см. монографию ^{[2, стр. 192, табл. 4.6]}), что объясняется наложением двух фронтов охлаждения: естественного от дневной поверхности и обусловленного работой СОУ. Они имеют следующие характеристики: диаметр подземного испарителя 76 мм, диаметр V-образного конденсаторного блока с вертикальным ребрением 89 мм, теплоноситель – хладон 22. На различных расстояниях от СОУ в скважины установлены полипропиленовые трубы внутренним диаметром 40 мм заглушенные в нижней части. В полипропиленовую трубу установлен шлейф-регистратор (термокоса) изготовленный фирмой ООО НТЛ «ЭлИн» длиной 11,25 м. Вдоль шлейф-регистратора на расстоянии друг от друга 1,25 м установлены термологгеры iBDL, представляющие собой полностью защищенный энергонезависимый одноканальный электронный самописец в корпусе типа MicroCan F-5 толщиной 5,89 мм и диаметром 17,35 мм. Внутри корпуса содержится датчик температуры, элемент питания, память, часы/календарь реального времени. Интерфейсный разъем в верхней части термокосы позволяет опросить в любое время все логгеры.

Фиксируемый в реальных условиях неравномерный темп охлаждения грунтов в радиальном направлении от охлаждающего термосифона можно объяснить формированием слоев с различным типом криотекстур, различающихся содержанием объемного льда и, следовательно, нестабильностью теплофизических характеристик.

Известно, что при увеличении льдистости скорость промерзания снижается и наоборот, при уменьшении суммарной льдистости скорость промерзания возрастает вследствие различий параметров теплопроводности льда и минерального скелета.

Результаты экспериментов

Вследствие неоднородности гранулометрического и фракционного состава грунтов, их теплофизических свойств продвижение фронта промерзания при действии охлаждающей установки происходит с различной скоростью. В результате формируются вертикально ориентированные льдопородные грунты сложной конфигурации, радиусы которых на различных глубинах не всегда соответствуют расчетным (проектным) значениям.

Высокая пространственная изменчивость состава и влажности аллювиальных грунтов ^[3], предопределяет неравномерный характер их принудительного промораживания охлаждающими термосифонами любого типа, следствием чего является формирование пространственно неоднородных температурных полей, определяющих несущую способность оснований. Формирование установившегося температурного режима в основаниях зданий происходит только при полном завершении процессов кристаллизации свободной и слабосвязанной поровой влаги, характерных для твердомерзлого состояния грунтов.

В монографии ^[2] методами численного моделирования показано, что применение в качестве теплорегулирующего покрытия конвективных ячеек Бенара, предложенных В.И.Макаровым ^[4], способствует затуханию нестационарных тепловых возмущений в теплое и холодное время года и сокращению глубины сезонного оттаивания грунтов, что позволяет повысить несущую способность свайного фундамента за счет включения в работу грунтов сезонноталого слоя. Скорость промерзания талых грунтов в естественных условиях (по схеме «сверху- вниз») и при их глубинном промораживании охлаждающими термосифонами (в радиальном направлении) в общем случае носит не монотонный (равномерно поступательный), а скачкообразный характер с характерными ускорениями или замедлением перемещения границы промерзания, вплоть до полной её остановки.

На скачкообразное перемещение границы промерзания указывал проф. П.А.Шумский ^[5], который отметил, что процесс промерзания тонкодисперсного грунта представляет собой чередование остановок границы промерзания на уровнях установления теплового равновесия и быстрого перемещения этой границы на тех участках массива, где лед включений не образуется.

На примере термотрубки №7 объекта «Спортивный комплекс «Триумф» в г. Якутске» показано, что зависание температуры принудительно охлаждаемого обводненного пылеватого и мелкозернистого песчаного грунта на фазовых переходах в интервале глубин 4,5-8 м, может достигать 3- 5 месяце в зависимости от степени обводненности грунта (табл. 3). Описание инженерно-геологического разреза приведено ниже.

0,0- 1,0м – насыпной грунт (супесь, песок, галька, щебень)

1,0 – 4,0 – супесь с примесью органических веществ

4,0 – 6,5 – песок пылеватый талый, водонасыщенный, слабозасоленный, с примесью растительных остатков

6,5 – 9,2 – песок мелкий талый, водонасыщенный

9,2 – 11,0 – песок мелкий твердомерзлый, массивной криотекстуры

Необходимые для теплотехнических расчетов данные приведены в табл.1.

Таблица 1

Теплофизические свойства грунтов основания

Размерность приведенных физико-механических характеристик: Wс - в дол.ед; ρск - в г/см³; λт,м- в ккал/м*ч*⁰С; Ст,м- в ккал/м³*⁰С.

Средневзвешенные значения расчетных характеристик: Wс= 0,33; ρск=1,35; λт=1,70; λм= 1,89; Ст=785; См=542;

Таблица 2

Динамика температур основания объекта «Триумф»

Приведенные в табл.2 данные указывают на возможность формирования достаточно низких температур практически в течение одного зимнего сезона. Сезонные возмущения температурного поля, формирующегося в основании здания, построенного по первому принципу с проветриваемыми подпольями, прослеживаются до 10 и более метров. Причем изменение температуры на глубине 10 м в нашем случае составляет 1,2⁰С. Охлаждение высокотемпературного слабозасоленного пластичномерзлого грунта в интервале глубин 9-10 м начинается через два месяца после включения в работу охлаждающей установки.

Длительное зависание температуры охлаждаемого грунта на точке фазового перехода отмечается в водонасыщенных песчаных грунтах и в грунтах с высокой концентрацией поровых растворов.

Механизм перемещения влаги в дисперсных грунтах зависит от величины их влажности и степени заполнения пор водой (в оттаявших и талых грунтах), содержания незамерзшей воды и льдистости (в пластичномерзлых грунтах).

В зависимости от мест расположения СОУ, состава и влажности вмещающих грунтов на контакте с боковой поверхностью свай могут формироваться массивные, сетчато-слоистые, ячеистые криотекструры или «ледяные» рубашки вокруг свай, что требует специального изучения.

Восстановление естественных температур грунта вокруг кустов буронабивных свай, изготовленных с противоморозными добавками без применения систем принудительного охлаждения, как показывают результаты натурных наблюдений, продолжается более двух лет.

Данные замеров температур на глубине 10м (t₀) и средние значения температуры грунта в интервале глубин 3-10м (t_3-10) при различных удалениях СОУ от буронабивных свай, установленных с противоморозными добавками, выполненных на объекте «Жилой комплекс «Прометей» в 11 квартале г. Якутска, приведены в табл. 3.

Из таблицы видно, что максимальный радиус растепления грунтов вечномерзлой толщи (интервал глубин 3-10 м) достигает 1,7 м от боковой поверхности ближайшей сваи (свая 147). Средняя температура грунта на глубине 10 м варьируется в пределах от +0,1 до -0,5⁰С, а по интервалу глубин 3-7 м от +0,3 до -0,2⁰С, т.е. вокруг свай при их установке кустовым способом формируется практически равномерное по глубине и простиранию высокотемпературное поле оттаявших вечномерзлых грунтов.

Таблица 3

Значения температуры грунтов в зависимости от расстояния до сваи

При принудительном охлаждении локального (замкнутого) водонасыщенного талика происходит постепенное его промерзание, сопровождающееся ростом внутриобъемного давления, значительно превышающего структурную прочность мерзлого грунта и силы смерзания мерзлых грунтов с боковой поверхностью свай. Следствием этого является выпучивание слабонагруженных свай, сопровождающееся разрушением ростверков и разрывами сплошности залегающего над таликом мерзлого грунта и бетонной отмостки. С ростом внутриобъемного давления температура кристаллизации поровой влаги соответствующим образом понижается и может выйти за технологические возможности охлаждения грунтов установками парожидкостного типа. В этом случае перенапряженный объем остаточного талика может сохраняться неопределенно долго, из чего вытекает вывод о необходимости предпостроечного водопонижения в водонасыщенных грунтах надмерзлотных таликов, образующих системы закрытого типа.

Следует отметить, что формирующиеся в результате принудительного охлаждения температурные поля не являются стационарными, их пространственно- временная изменчивость обусловлена сезонными изменениями температуры воздуха в проветриваемом подполье и условиями теплообмена на дневной поверхности под зданием, а также теплофизическими свойствами грунтов оснований.

Динамика сезонных изменений температуры грунтов, промороженных установками парожидкостного типа, в интервале глубин 1-9 м приведена в табл. 4 (термотрубка 7-3, объект: «Спорткомплекс «Триумф»).

Таблица 4

Изменение температуры грунтов, промороженных установками парожидкостного типа

Как видно из таблицы сезонное оттаивание грунтов основания под зданиями с проветриваемыми подпольями составляет один метр, а растепление грунтов вечномерзлой толщи за теплый период года наблюдается до девяти метров и более.

Выводы

Понижение температуры в основании объектов с висячими сваями до расчетных значений, обеспечивающих достаточную несущую способность фундаментов, может быть получено только методами принудительного охлаждения (промораживания).

Отдельной задачей является разработка метода прогноза восстановления естественных температур грунтов в основаниях свайных ростверков и зданий в целом, оттаявших в процессе гидратации бетона буронабивных свай, изготовленных с противоморозными добавками или без добавок, и их охлаждения до требуемых значений.

Приведенные табличные данные формирования температур грунтовых оснований, охлаждаемых сезоннодействующими установками парожидкостного типа, отражают закономерности, характерные для дисперсных грунтов любого вида, при различных значениях влажности и засоленности для зданий с проветриваемыми подпольями.

Формирующиеся в результате принудительного охлаждения температурные поля не являются стационарными. Их пространственно-временная изменчивость обусловлена сезонными изменениями температуры воздуха в проветриваемом подполье, условиями теплообмена на дневной поверхности под зданием, теплофизическими свойствами грунтов оснований, режимом работы охлаждающих установок и, в значительной степени, климатическими факторами.