СИСТЕМА ЗАМОРАЖИВАНИЯ ГРУНТОВ
SYSTEM OF SOILS FREEZING

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к системам замораживания грунтов при строительстве. Эта проблема достаточно актуальна в связи с ростом строительства на влажных и болотистых почвах.
Замораживание грунтов применяется при возведении фундаментов зданий и сооружений, строительстве шахт, метрополитенов, противофильтрационных завес, плотин, доков, подземных хранилищ, сооружений, препятствующих оползням, и др. [1, 2, 3].
Известны устройства охлаждения, основанные на применении сплава с эффектом памяти формы со значительными экзо- и эндотермическими эффектами в них при охлаждении и нагреве в интервале мартенситных превращений [4, 5].
В качестве прототипа к заявляемому изобретению принята система образования льдогрунтового ограждения [1], позволяющая заморозить влажный грунт для закрепления и достигнуть необходимого уровня водонепроницаемости при строительстве за счет использования замораживающих колонок.
Недостатками прототипа являются низкие эксплуатационные характеристики замораживающих колонок, ввиду возникновения значительных напряжений в конструкции трубчатой колонки при расширении объема грунта вследствие его заморозки и кристаллизации, содержащейся в нем влаги [6], что приводит к уменьшению ресурса замораживающих колонок при циклическом изменении температур, образованию трещин и снижению времени безотказной работы системы.
При этом в строительстве и эксплуатации объектов зачастую возникает потребность в искусственном охлаждении грунта в природном залегании до отрицательных температур в целях их закрепления и достижения необходимой водонепроницаемости с высоким уровнем надежности замораживающих колонок при длительной эксплуатации.
Данная задача может быть решена при помощи системы замораживания грунтов, показанной схематично на фиг.1 и 2, которая содержит скважины 1, пробуренные эквидистантно по контуру выработки или котлована 2. В скважины 1 опущены замораживающие колонки 3, а в них - питающие трубы 4, в колонках циркулирует охлажденный на замораживающей станции 5 рассол. Система замораживания грунтов также содержит коллекторы 6, соединяющие выход замораживающих колонок 3 с замораживающей станцией 5. В качестве рассола используется раствор соли хлористого кальция. Рассол охлаждается на замораживающих станциях 5 холодильными машинами 7. Замораживающие колонки 3 выполнены из титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы и первоначально имеют трубчатую цилиндрическую форму с продольным гофрированием (фиг.2). Сплаву замораживающих колонок 3 задано фазовое превращение при критической температуре в цилиндрическую форму.
Для создания льдогрунтового ограждения (фиг.1) по контуру выработки или котлована 2 бурят скважины 1, в которые затем опускают, охлажденные ниже критической температуры, замораживающие колонки 3, а в них - питающие трубы 4. В колонках 3, выполненных в виде труб с продольным гофрированием из сплава с эффектом памяти формы, циркулирует рассол. В процессе непрерывного теплообмена с рассолом грунт, окружающий колонку 3, охлаждается и замерзает, образуя вокруг колонок 3 льдогрунтовые цилиндры. Постепенно цилиндры увеличиваются в диаметре и соединяются между собой, превращаясь в сплошное ограждение. Лед, расширяясь, увеличивает сжимающие напряжения на внешние стенки замораживающих колонок 3 и пластически деформирует их по заданным продольным гофрам. Часть совершаемой льдом работы, по пластической деформации колонки 3, накапливается в сплаве с эффектом памяти формы.
По выходе из замораживающих колонок 3 рассол поступает через коллектор 6 на замораживающую станцию 5, где его снова охлаждают при помощи холодильных машин 7.
При аварийном выключении холодильных машин 7 или воздействии на область котлована 2 значительной тепловой нагрузки, превышающей расчетную, например, по причине прорыва грунтовых вод, льдогрунтовые цилиндры начинают плавиться, замораживающие колонки 3, выполненные из титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы и первоначально имеющие трубчатую цилиндрическую форму с продольным гофрированием, нагреваются до достижения критической температуры начала фазового превращения в материале. При этом материал замораживающих колонок 3 претерпевает фазовое превращение и изменяет свою форму, стремясь развернуться в мягком грунте в цилиндр. Нагрев области котлована 2 может осуществляться до температуры, при которой происходит восстановление заданной формы. Для сплава с эффектом памяти формы на основе, например, системы Ni-Ti эта температура устанавливается процентным соотношением никеля и титана в сплаве и может быть выбрана и установлена в зависимости от предполагаемых эксплуатационных температур в диапазоне от - 50°С до 160°С [5, 6].
П
П
Восстановление формы замораживающих колонок обеспечивается силой термоупругости сплава. При этом максимальный термический эффект (в данном случае охлаждение) dT=dH/C определяется энтальпией перехода dH и теплоемкостью сплава С [5]. Замораживающие колонки при перегреве выше критической температуры охлаждаются, становятся стоком избытка тепловой энергии.
Естественно, что замораживающие колонки в режиме интенсивной терморегуляции (таяния льдогрунтового ограждения) могут работать ограниченное время, поглощая вполне определенное количество тепла. «Емкость» замораживающих колонок, являющихся стоком тепла, пропорциональна массе материала.
Положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности и эффективности работы системы замораживания грунта за счет использования деформаций, возникающих в конструкции трубчатой колонки, выполненной из сплава с эффектом памяти формы, при расширении объема льдогрунтового ограждения [6].
Система замораживания грунта отличается от прототипа усовершенствованной конструкцией замораживающей колонки, обеспечивающей увеличение ресурса замораживающих колонок при циклическом изменении температур грунта.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Трупак Н.Г. Замораживание горных пород при проходке стволов. М.,1959.
2. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в строительстве. М., 1970.
3. Дорман Я.А. Искусственное замораживание грунтов при строительстве метрополитенов. М., 1971.
4. Патент РФ №2242844 от 20.12.2004 г.
5. Эффект памяти формы в сплавах: Пер. с англ. Л.М. Бернштейна. / Под ред. В.А. Займовского. - М.: Металлургия, 1979 - 472 с.
6. Цытович Н.А. Механика грунтов. М, Высшая школа, 1979.-272 с.