Площадка под строительный комплекс на вечной мерзлоте
SITE FOR BUILDING COMPLEX ON PERMAFROST

Изобретение относится к области строительства, а именно к возведению производственных или жилых комплексов на вечной мерзлоте.
Известна площадка под строительный комплекс на вечной мерзлоте (Величко В.П., Пассек В.В., Цуканов Н.А. Особенности изменения мерзлотного состояния грунтов на территории станций после их сооружения. В сб. научных трудов ОАО ЦНИИС, вып. №266, М., 2012, стр. 20). Площадка представляет собой расчищенный от растительности участок с сохранением уровня естественной поверхности.
Недостатком данного технического решения является затрудненность возведения смежных сооружений при разных уровнях поверхности.
Известна площадка под строительный комплекс на вечной мерзлоте, содержащая насыпной планировочный слой грунта, расположенный на естественной поверхности грунта в пределах строительного комплекса (Величко В.П., Пассек В.В., Цуканов Н.А. Особенности изменения мерзлотного состояния грунтов на территории станций после их сооружения. В сб. научных трудов ОАО ЦНИИС, вып. №266, М., 2012, стр. 27). Достоинством данного технического решения является удобство взаимной увязки положения отдельных сооружений в общий комплекс.
Недостатком данного технического решения является консервация таликов и полос стока, что приводит к растеплению мерзлоты.
Целью предлагаемого технического решения является обеспечение стабильной низкой температуры мерзлоты в грунтах оснований строительного комплекса при наличии насыпного планировочного слоя грунта.
Поставленная цель достигается тем, что площадка под строительный комплекс на вечной мерзлоте содержит насыпной планировочный слой грунта, расположенный на естественной поверхности грунта в пределах строительного комплекса, при этом насыпной планировочный слой грунта содержит охлаждающий ярус, расположенный непосредственно на естественной поверхности грунта, и расположенный на охлаждающем ярусе защитный ярус, при этом охлаждающий ярус содержит охлаждающую систему в виде пустотелых горизонтальных труб, расположенных параллельно верхней поверхности площадки, и вертикальных пустотелых труб, низ которых примыкает сверху к горизонтальным трубам и полость которых соединена с полостью горизонтальных труб, при этом их верхний торец имеет заглушку. Вертикальная труба пересекает защитный ярус и граничит с наружным воздухом, а защитный ярус содержит слой теплоизоляционного материала, расположенный непосредственно на охлаждающем ярусе и защищенный сверху слоем грунта.
н
Кроме того, площадь поверхности охлаждения S вертикальной трубы, граничащей с наружным воздухом, определена по зависимости:
н
н
2
S≥0,1S, м,
в
н
2
где S - площадь поверхности пустотелой горизонтальной трубы, охлаждаемой с помощью вертикальной трубы с поверхностью охлаждения S, м.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 приведена схема площадки под строительный комплекс на вечной мерзлоте (разрез А-А на фиг. 2);
на фиг. 2 то же, в плане (сечение Б-Б на фиг. 1);
на фиг. 3 приведено распределение температуры грунта в теле и основании площадки на момент окончания теплого периода года;
на фиг. 4 приведено сечение В-В (фиг. 1 и 2) в пределах узла I.
Площадка под строительный комплекс на вечной мерзлоте содержит насыпной планировочный слой 1 грунта, расположенный непосредственно на естественной поверхности 2 грунта. Насыпной планировочный слой 1 грунта состоит из двух ярусов: охлаждающего яруса 3 и защитного яруса 4. Охлаждающий ярус 3 расположен непосредственно на поверхности 2 грунта и содержит охлаждающую систему в виде пустотелых горизонтальных труб 5 и вертикальных пустотелых труб 6, низ которых примыкает сверху к горизонтальным трубам 5 и полость которых соединена с полостью горизонтальных труб, при этом их верхний торец имеет заглушку (крышку) 7. Вертикальная труба 6 пересекает защитный слой 4 и граничит с наружным воздухом.
н
в
в
в
На фиг. 2 показано положение труб 6 в плане. Защитный ярус 4 содержит слой теплоизоляции 8, расположенный непосредственно на охлаждающем ярусе 3 и закрытый сверху слоем 9 грунта. Для обеспечения охлаждения грунта площадь S поверхности охлаждения вертикальной трубы должна быть не менее 0,1S, где S - площадь поверхности пустотелой горизонтальной трубы (см. фиг. 4), сообщающаяся с одной вертикальной трубой 6. Поскольку горизонтальная труба 5 является сквозной, для выделения отдельных участков S предусмотрены легкие шторки 10. Трубы 5 могут быть использованы для пропуска различных трубопроводов 11 (теплотрасс, водопроводов, канализаций и т.п.). Эффективность охлаждения может быть существенно увеличена, если предусмотреть коаксиальную вставку 12, которая обеспечивает разделение восходящих и нисходящих потоков 13 воздуха.
На площадке под строительный комплекс на вечной мерзлоте могут быть размещены различные объекты: здание 14, площадки озеленения 15, дороги и т.п. Площадка ограничена боковыми гранями 16, которые могут быть устроены с естественным откосом грунта, а могут быть устроены ограждения. Вертикальные выступающие над уровнем площадки части труб 6, являющиеся теплообменниками, могут быть заменены горизонтальными теплообменниками (патент на полезную модель №156217, 2015 г., авторы В.В. Пассек и др. Устройство для охлаждения грунта), верх которых расположен 6 уровне с грунтом.
Для описания работы устройства необходимы также следующие обозначения:
17 - грунт основания;
18 - участок эпюры температур ниже теплоизоляции 8;
19 - дополнительная теплоизоляция под зданием;
20 - участок эпюры температур выше теплоизоляции 8.
Площадка под строительный комплекс на вечной мерзлоте работает следующим образом.
В зимний период охлаждающий ярус 3 за счет работы охлаждающей системы, состоящей из труб 5 и 6, производит подпитку холода в грунт основания 17. В летний период охлаждающая система перестает работать, однако, защитный ярус 4 не дает этому холоду выйти в пространство. В результате происходит постепенное понижение мерзлоты до определенного предела, который гарантирует стабильность сооружений, расположенных на площадке. Процесс регулирования температурного режима грунтов оснований становится управляемым. В обычных условиях температурный режим неуправляем: может быть прорыв теплотрасс, сильные снежные заносы и т.п. При данном техническом решении теплотрассы помещаются в трубы 5 и контролируются, влияние снежных заносов «отсекается» защитным ярусом. Площадка под строительный комплекс становится отдельным самостоятельным объектом при эксплуатации. Она становится гарантом стабильности всех сооружений, которые на ней расположены.
0
0
На фиг. 3 представлено распределение температуры грунта в теле и основании площадки на момент окончания теплого периода года. На нижней поверхности теплоизоляции 8 температура равна или близка к нулю (в т. N). Ниже (на участке 18) температура отрицательная, достигает на глубине 10-20 м своего максимального t значения (по абсолютной величине). За пределами границы 16 площадки температура грунта постепенно приближается к той, которая устанавливается в естественных условиях. При проектировании здания 14 учитывается гарантированная фоновая температура t, работа защитного яруса 4 и здание может быть осуществлено, например, без свай с применением дополнительной теплоизоляции 19.
Следует отметить еще один очень важный эффект, формирующийся при применении данного технического решения. На вечной мерзлоте деятельный слой протаивает в летний период медленно, грунт холодный, поэтому посадка растений (огородных или декоративных культур) дает мало эффекта. При данном техническом решении теплоизоляция отсекает потоки холода снизу, поэтому грунт 9 может быстрее разогреваться в летний период и эпюра температур имеет вид 20 (фиг. 3).
Следует отметить, что диаметр горизонтальных труб должен быть большим, не менее 2,0 м, чтобы была возможность по ним проходить и контролировать состояние. Расчеты показали, что при расположении труб на расстоянии b друг от друга, равном 10,0 м, температура грунта на глубине нулевых амплитуд устанавливается в условиях г. Салехард порядка минус 4,5°С, а при расстоянии 20,0 м - минус 3,5°С, что обеспечивает достаточно благоприятные условия для возведения фундаментов зданий.
При этом температура грунта слоя 9 примерно на 30% выше, чем талого или слоя без площадки.
Первым существенным признаком является «площадка под строительный комплекс на вечной мерзлоте, содержащая насыпной планировочный слой грунта, расположенный на естественной поверхности грунта в пределах строительного комплекса», поскольку это является названием с сущностью технического решения.
Вторым существенным признаком является разделение насыпного слоя на два яруса: на охлаждающий ярус, расположенный непосредственно на естественной поверхности грунта, и расположенный на охлаждающем ярусе защитный ярус. Такое разделение позволяет, с одной стороны, нижнему ярусу передать в грунты холод из атмосферы в зимний период, а с другой - не позволить в летний период этому холоду уйти обратно в атмосферу.
Третьим существенным признаком является система охлаждения в охлаждающем ярусе: она выполнена в виде пустотелых горизонтальных труб, расположенных параллельно верхней поверхности площадки, и вертикальных пустотелых труб, низ которых примыкает сверху к горизонтальным трубам и полость которых соединена с полостью горизонтальных труб, при этом их верхний торец имеет заглушку, вертикальная труба пересекает защитный ярус и граничит с наружным воздухом. Именно такая система, т.е. с горизонтальными трубами, позволяет совместить функцию охлаждения с функцией пропуска в них различных трубопроводов, т.е. предотвратить бесконтрольные теплопотери.
Четвертым существенным признаком является структура защитного яруса: он содержит слой теплоизоляционного материала, расположенный непосредственно на охлаждающем ярусе и защищенный сверху слоем грунта.
Такая структура позволяет, с одной стороны, предотвратить потери холода, накопленного в грунтах в зимний период, а с другой - защитить и усилить теплоизоляционный слой. Кроме того, появляется побочный эффект - более высокая температура грунта в слое 9, что способствует более эффективной посадке растений.
Все эти четыре существенных признака необходимы и достаточны для обеспечения поставленной цели - обеспечение стабильности низкой температуры мерзлоты в грунтах оснований.
В дополнительном пункте формулы приводится путь совершенствования предлагаемого технического решения.
Эффективность предлагаемого технического решения характеризуется тем, что понижается температура грунта в пределах площадки. Площадка становится гарантом стабильности сооружений, расположенных на ней. Кроме того, резко улучшаются условия для летних посадок растений в пределах защитного яруса.