СИСТЕМА ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТА ОСНОВАНИЙ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Предлагаемая полезная модель «Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах» относится к области строительства на многолетнемерзлых и слабых грунтах и касается выполнения систем замораживания и термостабилизации грунтовых оснований сооружений.
Известна также система для температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах, описанная в патенте СССР №1426151, МКИ Е02Д 3/115, 27/35, которая включает размещенные в подсыпке из непросадочного материала испаритель, в виде системы труб, заполненных теплоносителем и соединенных концами с подающим и отводящим коллекторами, и конденсатор, причем упомянутая система снабжена уравнительным сосудом, последовательно соединенным с конденсатором и испарителем, а каждая труба испарителя выполнена С-образной с верхней и нижней ветвями, последняя их которых оснащена гидрозатвором, кроме того нижняя ветвь каждой трубы соединена с подводящим коллектором, а верхняя - с отводящим.
Недостатком данной системы является низкая эффективность и скорость замораживания на начальном этапе пуска системы, высокая себестоимость.
Данный недостаток обусловлен конструктивными особенностями испарителя, в котором каждая труба испарителя выполнена С-образной с верхней и нижней ветвями, и трудоемкостью монтажа испарителя.
Известно устройство для замораживании горных пород (см. А.С. СССР №831982, МКИ E21D 1/12, опубл. 23.05.81), включающее U-образный распределительный и коллекторный трубопроводы, с тупиками и замораживающие колонки, подключенные к трубопроводам, при этом тупики распределительного и коллекторного трубопроводов расположены на противоположных сторонах зоны замораживания, причем коллекторный трубопровод выполнен прямолинейным, а замораживающие колонки подключены к тупиковой стороне U-образного распределительного трубопровода, т.е. принцип работы устройства - принудительная прокачка охлажденного в замораживающей станции жидкого теплоносителя через последовательно и параллельно скоммутированные заглубленные в грунт вертикальные колонки.
Недостатком известного устройства является низкая эффективность и высокая себестоимость.
Данный недостаток обусловлен значительными энергозатратами на искусственное охлаждение и прокачку теплоносителя через охлаждающие колонки.
Известна принятая за прототип конструкция насыпного охлаждаемого основания сооружений, (См. Патент РФ 2157872, МПК E21D 3/115, Опубл. 20.10.2000), включающая охлаждающие трубы, соединенные с конденсаторной частью, и размещенные над ними слои теплоизоляции и отсыпку грунта, в данной конструкции охлаждающие трубы, заполненные низкокипящей жидкостью, размещены внутри защитных труб, выполненных с заглушенным торцом с одной стороны и открытым торцом с другой, и полостью, заполненной теплопроводной жидкостью, причем защитные трубы расположены под отсыпкой грунта и слоем теплоизоляции с уклоном 0-10° к продольной оси основания в сторону заглушенных торцов, а открытые торцы выведены за пределы контура отсыпки грунта.
Недостатком известной конструкции является низкая надежность, слабая несущая способность, устойчивость и пространственная прочность системы в процессе монтажа и обратной засыпки грунтом, низкая промораживаемая способность, отсутствие резервирования и надежности управления и контроля за процессом промораживания грунта.
Данный недостаток обусловлен тем, что остаются непромороженными вертикальный периметр основания, например резервуара, или цеха, при этом периметр таких сооружений является наиболее нагруженным, а при укладке защитных труб с уклоном происходит механическое воздействие кусков грунта и точечных нагрузок от засыпаемого на трубы грунта из ковшей экскаваторов и, как следствие, смещение осей труб от первоначально заданных.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение устойчивости и пространственной прочности конструкции системы термостабилизации грунта, увеличения ее промораживающей способности, и, как следствие, повышение несущей способности основания, а также управление и контроль за процессом промораживания грунта и резервирование надежности системы.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной системе для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах, содержащей контур, представляющий собой выполненные с заглушенным торцом с одной стороны и открытым торцом с другой охлаждающие трубы, полость которых заполнена незамерзающей жидкостью, и размещенные над ними слои теплоизоляции и отсыпку грунта, причем охлаждающие трубы расположены под отсыпкой грунта и слоем теплоизоляции с уклоном к продольной оси основания в сторону заглушенных торцов, а открытые торцы выведены за пределы контура, согласно изобретения, охлаждающие трубы оснащены установленными во внутренней полости каждой трубы охлаждающими элементами, а по периметру контура дополнительно установлены вертикальные гильзы, полость которых заполнена незамерзающей жидкостью, а внутри гильз установлены охлаждающие элементы, причем верхняя часть каждой гильзы и охлаждающей трубы снабжена крышкой с отверстием для размещения охлаждающего элемента и заливной горловиной с пробкой, при этом охлаждающие трубы контура уложены параллельно друг другу и расположены под отсыпкой грунта и слоем теплоизоляции с уклоном до 75° к продольной оси основания в сторону заглушенных торцов, а под контуром горизонтально расположен резервный контур, торцы труб которого выводятся выше уровня дневной поверхности грунта с возможностью подключения к холодильной установке.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
В отличие от аналога и прототипа использование в предлагаемой полезной модели «Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах», содержащая контур, представляющий собой выполненные с заглушенным торцом с одной стороны и открытым торцом с другой охлаждающие трубы, полость которых заполнена незамерзающей жидкостью, причем каждая труба оснащена установленными во внутренней полости охлаждающими элементами, - все это обеспечивает пространственную жесткость и прочность конструкции системы термостабилизации грунта, увеличение ее промораживающей способности, и, как следствие, повышение несущей способности основания. Дополнительно установленные по периметру контура вертикальные гильзы, внутри которых установлены охлаждающие элементы, также способствуют увеличению промораживающей способности системы термостабилизации грунта, и повышению несущей способности основания. Оснащение верхней части каждой гильзы и охлаждающей трубы крышкой с отверстием для размещения охлаждающего элемента и заливной горловиной с пробкой позволяет осуществить управление и контроль за процессом промораживания грунта путем добавления или замены незамерзающей жидкости, что также обеспечит термостабилизацию грунта, увеличит ее промораживающую способность и повысит несущую способность основания. Укладка под отсыпкой грунта и под слоем теплоизоляции охлаждающих труб контура параллельно друг другу с уклоном до 75° к продольной оси основания в сторону заглушенных торцов значительно расширит, в зависимости от региона применения заявленной системы, диапазон применения системы, устойчивость и пространственную прочность конструкции системы термостабилизации грунта, что, в свою очередь, увеличит ее промораживающую способность, т.е. повысит несущую способность основания. Размещение под контуром резервного контура, торцы труб которого выводятся выше уровня дневной поверхности грунта с возможностью подключения к холодильной установке, дает возможность резервировать надежность системы и, дополнительно повышает ее прочность охлаждаемого основания.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели «Система для термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах», позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного технического решения. По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели «Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах» не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию "новизна". Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемой системе для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель «Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах» соответствует критерию "новизна".
Для проверки соответствия заявленной полезной модели критерию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить совокупность признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной системы термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах. Результаты поиска показали, что заявленная система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленной полезной модели преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленная полезная модель «Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах» соответствует критерию "изобретательский уровень".
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной системы термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах совокупности условий в том виде, как заявляемая система охарактеризована в формуле полезной модели, т.е. подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанного в заявке примера конкретного выполнения. Конструктивные элементы, воплощающие заявленную систему термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах при ее осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно повысить устойчивость и пространственную прочность конструкции системы термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах, увеличить ее промораживающую способность, и, как следствие, добиться повышения несущей способности основания, а также вести управление и контроль за процессом промораживания грунта и резервирование надежности системы, следовательно, заявленная полезная модель «Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах» соответствует критерию "промышленная применимость".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели «Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах» может быть многократно использована в технологически нетрудоемком процессе термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах с получением технического результата, заключающегося в повышении устойчивости и пространственной прочности конструкции системы термостабилизации грунта, увеличения ее промораживающей способности, и, как следствие, повышении несущей способности основания, а также управления и контроля за процессом промораживания грунта и резервирования надежности системы, что позволяет экономически выгодно и надежно укрепить несущую способность фундаментов оснований, обеспечивающих замораживание подсыпки и подстилающего грунта, находящегося под ней до границы залегания мерзлоты.
Сущность заявляемой полезной модели «Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах» поясняется примером конкретного выполнения, и чертежами, где
- на фиг.1 - схематично изображена система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах, представляющая собой совокупность резервного контура, а также вертикальной естественнодействующей термостабилизации (BET) и - одного ряда системой (горизонтальной) наклонной естественнодействующей термостабилизации (ГЕТ), (вид сверху);
- на фиг.2 - схематично изображены наклонные охлаждающие трубы (ГЕТ) и вертикальные гильзы (BET), вид в изометрии;
- на фиг.3 - схематично изображена система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах в работе;
- на фиг.4 - то же вид сбоку в разрезе.
Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах, представляющая собой совокупность системы вертикальной естественнодействующей термостабилизации (BET) и системы горизонтальной или наклонной (до 75°) естественнодействующей термостабилизации (ГЕТ) включает контур 1, представляющий собой два ряда наклонных охлаждающих труб 2, выполненных с заглушенным (нижним) торцом 3 с одной стороны и открытым (верхним) торцом 4 с другой стороны. Охлаждающие трубы 2 каждого ряда параллельны между собой. Внутренняя полость 5 охлаждающих труб 2 заполнена хладагентом - незамерзающей жидкостью 6, в частности, этиленгликолем. Над контуром 1 размещены слои теплоизоляции 7 и отсыпка грунта 8. Охлаждающие трубы 2 контура 1 расположены под отсыпкой грунта 8 и под слоем теплоизоляции 7 с небольшим уклоном, под углом β=11°, к продольной оси Х-Х основания 9 в сторону заглушенных торцов 3 охлаждающих труб 2. Открытые торцы 4 охлаждающих труб 2 выведены за пределы контура отсыпки грунта 8. Охлаждающие трубы 2 оснащены установленными во внутренней полости 5 каждой охлаждающей трубы 2 охлаждающими элементами 10. Дополнительно установленные вертикальные гильзы 11, внутри которых также установлены охлаждающие элементы 12, дополнительно увеличивают промораживающую способность заявленной системы и, как следствие, повышают несущую способность основания. Для предотвращения испарения незамерзающей теплопроводной жидкости из вертикальной гильзы 11 и охлаждающей трубы 2 верхняя часть 13 каждой гильзы 11 и охлаждающей трубы 2 снабжена крышкой 14 с отверстием 15 для размещения, соответственно, охлаждающего элемента 12 и охлаждающего элемента 10, а каждая охлаждающая труба 2 выполнена с заливной горловиной 16 с пробкой 17 для дополнительной заливки незамерзающей жидкости с целью предотвращения снижения уровня жидкости в охлаждающей трубе. Для резервирования надежности, и в случае отказа систем ГЕТ и BET, например, разгерметизации наклонных охлаждающих труб 2 или вертикальных - гильз ниже уровня наклонных гильз укладывается резервный контур 18 из горизонтально уложенных охлаждающих труб 19, например, полиэтиленовых, которые укладываются параллельно друг другу. Незаглушенные торцы 20 охлаждающих труб 19 выводятся, посредством патрубков, выше уровня дневной поверхности 21 грунта с возможностью подключения к холодильной установке 22.
Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах работает следующим образом.
Первоначально для резервирования надежности или в случае разгерметизации наклонных охлаждающих труб 2 и вертикальных гильз 11 ниже предполагаемого уровня наклонных охлаждающих труб 2 укладывают резервный контур 18, например, из полиэтиленовых труб, концы которых выводят выше уровня дневной поверхности грунта 21. Охлаждающие трубы 19 резервного контура 18 укладывают параллельно друг другу, а торцы 20 охлаждающих труб 19 выводятся выше уровня дневной поверхности 21 грунта с возможностью подключения к холодильной установке 22. В основании сооружения (например, резервуара) укладывается контур 1, в виде установленных наклонно под углом β=11° охлаждающих труб 2, выполненных с заглушенным торцом 3 с одной стороны и открытым торцом 4 с другой стороны. Внутренняя полость 5 охлаждающих труб 2 заполняется хладагентом - незамерзающей жидкостью 6, в качестве которой используется этиленгликоль. Во внутреннюю полость 5 каждой охлаждающей трубы 2 устанавливаются охлаждающие элементы 10, в частности термостабилизаторы. Над контуром 1 размещают слои теплоизоляции 7 и отсыпают грунт 8, за пределы контура которого выводят открытые торцы 4 труб 2. Во внутреннюю полость 5 каждой из охлаждающих труб 2 устанавливают охлаждающие элементы 10. После этого по периметру контура 1 устанавливают вертикальные гильзы 11 и внутреннюю полость каждой вертикальной гильзы заполняют незамерзающей жидкостью 6, в качестве которой используется этилен гликоль, а также устанавливают во внутреннюю полость каждой вертикальной гильзы 11 охлаждающие элементы 12. Верхнюю часть 13 каждой вертикальной гильзы 11 и каждой охлаждающей трубы 2 закрывают крышкой 14 с отверстием 15, через которое пропускают, соответственно, охлаждающий элемент 12 и охлаждающий элемент 10. В процессе эксплуатации через заливную горловину 16 доливают незамерзающую жидкостью (этиленгликоль) и закрывают горловину пробкой 17.
Предложенная полезная модель «Система термостабилизации грунта оснований на вечномерзлых грунтах» позволяет повысить устойчивость и пространственную прочность конструкции системы термостабилизации грунта, увеличить ее промораживающую способность и, как следствие, повысить несущую способность основания, а также управление и контроль за процессом промораживания грунта и резервирование надежности системы, что способствует повышению эффективности замораживания основания сооружения, т.к. увеличивается теплосъем с единицы площади основания.