СИСТЕМА ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области строительства, а именно к устройствам для охлаждения и замораживания грунтов и может быть использована при строительстве сооружений в районах распространения многолетнемерзлых пород с целью повышения несущей способности грунтов оснований.
Особенности оснований сооружений, сложенные многолетнемерзлыми грунтами, определяются специфическими климатическими условиями в высокоширотных районах Крайнего Севера. В зимний период температура воздуха там продолжительное время довольно низкая и достигает часто минус 40°. Однако снежный покров и низкая теплопроводность грунта не позволяют ему глубоко и сильно промерзнуть. В летнее время года мерзлый грунт оттаивает, кроме того, при отклонении от проектного режима эксплуатации отапливаемых зданий и сооружений процесс таяния мерзлых грунтов происходит интенсивнее, при этом создается угроза деформации оснований и разрушения зданий и сооружений.
Одним из способов сохранения отрицательной температуры мерзлых оснований под сооружениями является применение искусственного замораживания талых или охлаждения мерзлых грунтов оснований с помощью охлаждающих установок сезонного действия. Сезонно-действующие охлаждающие устройства в зимнее время дополнительно охлаждают мерзлый грунт, а летом - не работают. Применение таких устройств позволяет значительно повысить несущую способность оснований сооружений и не допускать развитие деформаций оснований в летний период.
Известно охлаждающее устройство для замораживания грунта (RU 120974 U1, МПК E02D 3/115, опубликовано 26.04.2012 г.), содержащее охлаждающие трубы, расположенные горизонтально, параллельно друг другу, наполненные низкокипящей жидкостью, теплоизоляционную отсыпку над охлаждающим трубами и конденсаторные теплообменники, при этом концы охлаждающих труб загнуты вверх под 90° и выступают над теплоизоляционной отсыпкой на 1-2 м с индивидуальным конденсаторным теплообменником на конце каждой охлаждающей трубы, длины охлаждающих труб соответствуют длине транспортного контейнера, а в случае, если конфигурация охлаждаемого фундамента сооружения превышает длину транспортного контейнера, длина охлаждающих труб увеличивается путем соединения их концов на теплопроводной пасте внутри стыковочных кожухов.
Недостаток известной конструкции заключается в низкой ремонтопригодности, что приводит к необходимости резервирования дополнительных охлаждающих труб под отсыпкой, а это в свою очередь снижает надежность устройства. Кроме того, увеличение длины охлаждающих труб путем соединения их с тепловыми трубами усложняет монтажные работы.
Наиболее близким к предлагаемому является конструкция насыпного охлаждаемого основания сооружений (RU 33955 U1, МПК E02D 3/115, опубликовано 20.11.2003), содержащая отсыпку грунта с расположенным на нем слое теплоизоляции и размещенными внутри него охлаждающими трубами с зонами конденсации и испарения, при этом охлаждающие трубы выполнены герметичными и состоят из двух участков, первый из которых расположен вертикально или отклонен от вертикали не более чем на 30°, а второй расположен наклонно к горизонту под углом не более 10°. На первом участке трубы на внутренней стенке ниже уровня грунта выполнены карманы для задержания стекающего конденсата.
Однако известное устройство имеет недостаточно высокую тепловую эффективность, так как тепловая инерция замороженного зимой грунта отсыпки может оказаться недостаточной для поддержания его в твердом состоянии в летний период. Этот недостаток может быть частично компенсирован увеличением количества охлаждающих труб в устройстве, однако при этом снижается надежность, так как возрастает количество активных элементов, какими являются охлаждающие трубы. Кроме того, как и в предыдущем известном устройстве, в процессе обратной засыпки охлаждающих устройств грунтом снижается пространственная прочность системы, так как куски засыпаемого грунта оказывают механическое воздействие на трубы, вследствие чего оси труб смещаются относительно проектного положения. Выступающие над поверхностью грунта конденсаторы загромождают территорию вокруг сооружения, что затрудняет обслуживание охлаждающих устройств, их ремонт, замену и мониторинг процесса охлаждения.
Задачей, предлагаемого технического решения является повышение несущей способности грунта основания за счет сохранения естественной структуры грунта, повышение прочностных и эксплуатационных качеств системы температурной стабилизации грунтов, упрощение строительно-монтажных работ.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в системе температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений, включающей, сезонно-действующие охлаждающие устройства, каждое из которых содержит зону испарения, по краям которой расположены транспортная зона и зона конденсации, и выполнено в виде корпуса трубчатого сечения, с возможностью заправки теплоносителем, зоны конденсации установлены над поверхностью грунта под углом 90° к горизонту и оснащены теплообменниками, а зоны испарения размещены в основании сооружения параллельно друг другу, с уклоном от 10° до 0° к продольной оси сооружения. Согласно полезной модели, зоны испарения размещены в грунте основания, в сквозных скважинах, пробуренных способом наклонно-направленного бурения, по всей площади сооружения. Свободные торцы зоны испарения выведены за пределы контура сооружения с двух противоположных сторон в траншеи, ориентированные вдоль продольной оси сооружения, и соединены с транспортными зонами, которые уложены в упомянутые траншеи, а свободные торцы транспортных зон соединены с зонами конденсации, собранными в куст с каждой из упомянутых сторон. При этом каждый куст конденсаторов закреплен на поддерживающей конструкции, установленной на сваях, оборудованной площадкой для заправки охлаждающих устройств, обслуживания и мониторинга процесса охлаждения. Собранные в куст зоны конденсации позволяют освободить территорию вокруг сооружения, что значительно облегчает обслуживание охлаждающих устройств, ремонт или замену. Теплозащитный экран уложен на поверхности грунта основания, под всем сооружением, непосредственно под полами первого этажа
Транспортные зоны могут иметь гибкие вставки, что позволяет менять угол поворота при укладке их в траншеи.
Уложенные в траншеи транспортные зоны засыпаются слоем грунтовой отсыпки.
Кроме того, зоны испарения охлаждающих устройств снабжены во внутренней полости в центральной части глухой перегородкой, которая разделяет поток хладагента и обеспечивает оптимальную работу охлаждающих устройств.
Сущность предлагаемой полезной модели «Система температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений» поясняется чертежами:
- на фиг. 1 схематично изображена система температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений, общий вид;
- на фиг. 2 схематично изображена система температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений в разрезе.
Система температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений включает сезонно-действующие охлаждающие устройства, каждое из которых содержит зону испарения 2, по краям которой расположены транспортная зона 3 и зона конденсации 4, и выполнено в виде корпуса трубчатого сечения с возможностью заправки теплоносителем. Зоны конденсации 4 установлены над поверхностью грунта под углом 90° к горизонту и оснащены теплообменниками 5, а зоны испарения 2 размещены в основании 9 сооружения 1 параллельно друг другу, с уклоном от 10° до 0° к продольной оси O-O (фиг. 1) сооружения 1. Согласно полезной модели, зоны испарения 2 размещены в грунте основания 9, в сквозных скважинах, пробуренных способом наклонно-направленного бурения, по всей площади сооружения. Свободные торцы зоны испарения выведены за пределы контура сооружения с двух противоположных сторон в траншеи (фиг. 2), ориентированные вдоль продольной оси O-O сооружения 1, и соединены с транспортными зонами 3, которые уложены в упомянутые траншеи, а свободные торцы транспортных зон 3 соединены с зонами конденсации 4, собранными в куст (фиг. 1, 2) с каждой из упомянутых сторон. При этом каждый куст закреплен на поддерживающей конструкции 6, установленной на сваях, оборудованной площадкой 7 для заправки охлаждающих устройств, обслуживания и мониторинга процесса охлаждения. Собранные в куст зоны конденсации 3 позволяют освободить территорию вокруг сооружения, что значительно облегчает обслуживание охлаждающих устройств, ремонт или замену. Теплозащитный экран 8 уложен на поверхности грунта основания 9, под всем сооружением 1, непосредственно под полами первого этажа
Транспортные зоны 3 могут иметь гибкие вставки, что позволяет менять угол поворота при укладке их в траншеи.
Уложенные в траншеи транспортные зоны 3 засыпаются слоем грунтовой отсыпки.
Кроме того, зоны испарения 2 охлаждающих устройств снабжены во внутренней полости в центральной части глухой перегородкой (на чертеже не показана), которая разделяет поток хладагента и обеспечивает оптимальную работу охлаждающих устройств.
Система температурной стабилизации грунта оснований зданий и сооружении работает следующим образом.
На строительной площадке за пределами контура будущего сооружения 1 с двух противоположных сторон вдоль продольной оси сооружения O-O (фиг. 1) устраивают траншеи (фиг. 2). У внешних бортов обоих траншей устанавливают сваи, на которых монтируют поддерживающую конструкцию 6 для зон конденсации и площадку обслуживания 7 охлаждающих устройств. Затем методом наклонно-направленного бурения в основании 9 под всем контуром сооружения бурят сквозные скважины с уклоном от 10° до 0° к продольной оси O-O (фиг. 1) сооружения 1, в которых размещают зоны испарения 2. Свободные края зон испарения 2 выводят в траншеи. После чего в траншеи укладывают транспортные зоны 3 и соединяют с зонами испарения 2, при этом свободные края транспортных зон выводят на поверхность в месте расположения поддерживающей конструкции 6 с площадкой обслуживания 7 и соединяют с установленными в вертикальное положение зонами конденсации 4, которые затем закрепляют на поддерживающей конструкции 6. После окончания монтажа охлаждающих устройств траншеи засыпают грунтом до отметки планировки, а на грунт основания 9 укладывают теплозащитный экран 8.
При достижении необходимого перепада температур 6-8 градусов между грунтом и наружным воздухом, охлаждающие устройства включаются в работу. Хладагент, которым заправлены охлаждающие устройства, под действием разности температур между грунтом и наружным воздухом циркулирует внутри охлаждающих устройств и отводит тепло от зон испарения 2 к зонам конденсации 4, оснащенными теплообменниками 5, понижая температуру грунтов основания 9, в результате чего в грунте намораживается льдогрунтовый массив (плита), увеличивающий несущую способность грунтов основания. После замораживания грунта происходит дальнейшее понижение его температуры, что увеличивает длительность нахождения грунта в мерзлом состоянии, так как в летний период охлаждающие устройства не работают. Уложенный на грунт основания 9 теплозащитный экран 8 препятствует растеплению грунта в летний период.
Предлагаемая система температурной стабилизации грунтов основания сооружения может применяться как до начала строительства для повышения несущей способности грунтов, так и в период эксплуатации сооружения для восстановления кровли мерзлых грунтов.
Преимущества предлагаемой полезной модели заключаются в том, что размещение зон испарения в основании сооружения в сквозных скважинах, пробуренных методом наклонно направленного бурения, значительно упрощает строительно-монтажные работы и позволяет сохранить естественную структуру грунта, что значительно повышает несущую способность основания. Кроме того, сохраняется пространственная прочность системы и минимизируется риск повреждения охлаждающих устройств при монтаже, что происходит при обратной засыпки котлована в результате механического воздействия кусков засыпаемого грунта на трубы. Кроме того, собранные в куст и закрепленные на поддерживающей конструкции, оборудованной площадкой обслуживания, зоны конденсации освобождают территорию вокруг сооружения, что облегчает обслуживание охлаждающих устройств, ремонт или замену и мониторинг процесса охлаждения, что, в свою очередь, повышает эффективность работы системы температурной стабилизации грунтов основания сооружения.