ЗДАНИЕ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ

Полезная модель относится к области строительства, а именно к сооружениям, возводимым в районах вечной мерзлоты.
Известно здание на вечной мерзлоте (Фундаменты сооружений на мерзлых грунтах в Якутии / К.Ф. Войтковский, П.И. Мельников, Г.В. Порхаев и др. - М.: Наука, 1968. - С. 66). Здание представляет из себя сооружение, возведенное на теплоизолирующей подсыпке. Достоинством данной конструкции является минимизация отепляющего влияния здания на вечномерзлые грунты основания. Недостатком конструкции является отсутствие охлаждающего влияния на грунты основания, что может привести в случае теплового влияния смежных территорий к растеплению глубинных слоев грунтов основания и деформации сооружения.
Известно здание на вечной мерзлоте (Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Стройиздат; Ленингр. отд-ние, 1984. - 156 с). Здание представляет из себя сооружение на ленточном фундаменте, окруженное охлаждающими установками, способствующими сохранению мерзлого состояния грунтов основания с понижением их температуры. Эта особенность является достоинством данной конструкции. Недостатком является, меньший, чем у основного сооружения срок службы охлаждающих установок, что вызывает необходимость их постоянной замены в течение всего срока его эксплуатации.
Задачей данного технического решения является повышение надежности охлаждающей системы сооружения за счет сочетания теплоизоляции и глубинных охлаждающих установок, при котором суммарный эффект выше суммы эффектов отдельных мероприятий
Б
Ц
Для достижения указанного технического результата здание на вечной мерзлоте содержит фундамент, расположенный на грунтах основания, корпус, размещенный на фундаменте, и охлаждающую грунты систему. Грунты основания содержат на момент окончания теплого периода года расположенную сверху талую зону, а снизу - мерзлую зону. Здание имеет прямоугольную в плане форму длиной «l» и шириной «b» и содержит слой теплоизоляции, эквивалентной пеноплэксу толщиной «Δ», расположенный между корпусом здания и его фундаментом. Охлаждающая грунты система выполнена в виде полых труб с внутренним диаметром «D», заглушенных с обоих торцов крышками и погруженных частично в грунт в вертикальном положении, причем трубы расположены с внешней стороны корпуса здания вдоль его стороны длиной «l» с расстоянием «с» между собой и на расстоянии «а» от стены здания, а также по одной трубе у торцов здания на их середине, при этом глубина талой зоны от уровня естественной поверхности грунта в зоне полых труб равна «h», а в центре здания «h». Основные параметры связаны следующими соотношениями:
d=b+2a, м;
2
С
D=m·D, м;
H=m·20D, м;
h=0,15m·Н, м;
, м;
, б/р (Δ≤0,5 м);
с=0,3md, м;
l≥b, м,
где d - расстояние между противоположными рядами полых труб, м;
C
D - условный расчетный внутренний диаметр полой трубы, м (принят равным 1,0 м);
m - поправочный коэффициент, принимаемый равным (0,8÷1,2), б/р;
h, H - соответственно высота надземной и подземной частей полых труб, м;
К
К
2
Кроме того, полые трубы могут содержать внутри полости коаксиально расположенную трубу диаметром d, имеющую в верхнем и нижнем концах боковые вырезы площадью S, при этом d=0,7D, м; , м.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 приведена схема устройства (разрез А-А на фиг. 2);
на фиг. 2 - разрез Б-Б на фиг. 1;
Б
Ц
Здание на вечной мерзлоте (фиг. 1) содержит фундамент 1, расположенный на грунтах основания 2 и корпус 3, размещенный на фундаменте 1, и охлаждающей грунты системы 4, причем фунты основания 2 содержат на момент окончания теплого периода года расположенную сверху талую зону 5, а снизу - мерзлую зону 6, при этом здание имеет прямоугольную в плане форму длиной «l» и шириной «b» и содержит слой теплоизоляции 7 толщиной «Δ», расположенный между корпусом 3 здания и его фундаментом 1. Охлаждающая грунты система 4 выполнена из полых труб с внутренним диаметром «D», заглушенных с обоих торцов крышками и погруженных частично в грунт 2 в вертикальном положении, причем трубы расположены с внешней стороны корпуса 3 здания вдоль его стороны длиной «l» с расстоянием «c» между собой и на расстоянии «a» от стены здания, а также по одной трубе у торцов здания на их середине. Глубина талой зоны 5 в естественных условиях, т.е. до постройки здания может превышать толщину деятельного слоя и характеризуется границей 8. После возведения здания под ним граница талой и мерзлой зон изменяется и характеризуется кривой 9. Глубина талой зоны от уровня естественной поверхности грунта в зоне полых труб равна «h», а в центре здания «h». Кроме того, охлаждающая система формирует твердомерзлое ядро 10. Основные параметры связаны между собой следующим образом:
где d - расстояние между противоположными рядами полых труб, м;
C
D - условный расчетный внутренний диаметр полой трубы, м (принят равным 1,0 м);
m - поправочный коэффициент, принимаемый равным (0,8÷1,2), б/р;
h, Н - соответственно высота надземной и подземной частей полых труб, м;
K
K
2
Кроме того, полые трубы могут содержать внутри полости коаксиально расположенную трубу диаметром d, имеющую в верхнем и нижнем концах боковые вырезы площадью S, при этом d=0,7D, м; , м.
Формулы (1-8) выводились, исходя из следующих предпосылок.
Расстояние «d» между термоопорами и соотношение «n» расчетной и максимальной толщины теплоизоляции принимались как основные параметры при теплофизических расчетах (см. Приложение к данному описанию). При этом «H» принималось постоянным и равным 20 м. Эта величина рекомендуется для использования в практике. Формула (5) получена на основании трехмерных теплофизических расчетов (см. Приложение к данному описанию). Коэффициент «m» учитывает возможное изменение высоты «H». Введение в формуле (2) значения «m» в квадрате означает то, что при изменении диаметра термоопоры эффект охлаждения изменяется нелинейно (в меньшей степени, см. монографию Пассек В.В., Петров В.И. Термоопоры - эффективный и перспективный вид конструкций на вечной мерзлоте. - М: ЦНИИС, 2009. - 104 с). Соотношение (7) было принято как исходное условие в теплофизических расчетах и при выводе формулы (5).
Здание на вечной мерзлоте работает следующим образом.
Нагрузка от сооружения воспринимается фундаментом; тепловой режим грунтов основания 2 поддерживается сочетанием охлаждающей грунты системы 4 и теплоизоляции 7.
Охлаждение основывается на конвекции воздуха в полостях труб системы 4 зимой и происходит следующим образом. Охлажденный в надземной части полостей охлаждающей системы 4 воздух опускается вниз и отдает холод в грунт через стенки труб охлаждающей системы 4, после чего поднимается наверх, в надземную часть, где вновь охлаждается и т.д. При наличии коаксиальных вставок потоки воздуха разделяются: теплые восходящие перемещаются внутри коаксиальной вставки, а холодные нисходящие - внутри полости образованной зазором между стенками трубы охлаждающей системы 4 и коаксиальной вставкой. В летний период конвекция прекращается, и тепло в грунт не поступает.
Ц
Теплоизоляция 7 играет пассивную роль: она снижает интенсивность тепловых потоков из здания в грунт. Учет размера теплоизоляции производится за счет коэффициента «n» в формуле (5). Теплоизоляция позволяет регулировать глубину h талика, при необходимости доводя его практически до нуля.
max
Существо предлагаемого технического решения основано на возможности использования на вечной мерзлоте обычных зданий без проветриваемого подполья за счет сочетания теплоизоляции под зданием и расположенных по его периметру термоопор. Такая система может быть рациональна при ширине «d», не превышающей некой величины d.
Б
Б
ЕСТ
Особенностью такой системы является наличие мерзлых «горбов» в зоне термоопор с глубиной талого слоя «h», при этом h<Р, т.е. глубины деятельного слоя в естественных условиях.
Термоопоры формируют также твердомерзлое ядро 10, обеспечивающее несущую способность термоопор по боковой поверхности и по торцу. При заданных формулой (5) параметрах твердомерзлое ядро 10 под центром здания смыкается, обеспечивая расчетные параметры талика, т.е. гарантию того, что более определенных по формуле (4) размеров он не увеличится.
Фундамент может быть:
1) из балки на горбах;
Ц
2) из плиты с учетом ее осадки, которая фиксирована охлаждающей системой (фиг. 1). При этом глубина h талика фиксирована формулой (4);
3) на коротких сваях, усиливающих фундамент 1;
4) но самое главное - это то, что сами охлаждающие устройства (термоопоры) могут быть использованы как основной несущий элемент конструкции - на них может быть оперта плита фундамента 1.
Повышение надежности охлаждающей системы сооружения достигается за счет сочетания теплоизоляции и глубинных охлаждающих систем. Эффективность такого сочетания определяется следующим. Теплоизоляция может предохранить от протаивания грунты основания непосредственно под зданием. Однако тепловое влияние соседних со зданием зон может привести к протаиванию фунтов под зданием рядом с неблагоприятной зоной, что приведет к неравномерным деформациям. В этом случае вертикальная завеса из термоопор предохраняет от бокового теплового влияния и усиливает мерзлоту непосредственно под зданием. Применение только одних термоопор без теплоизоляции приводит к резкому снижению допускаемой ширины здания, которая определяется расстоянием между термоопорами, при котором имеет место их взаимовлияние. В связи с изложенным получается, что суммарный эффект выше суммы эффектов от отдельных мероприятий.
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВЫВОД ФОРМУЛЫ РАСЧЕТНОЙ ГЛУБИНЫ ТАЛОЙ ЗОНЫ ПОД ЗДАНИЕМ ПРИ НАЛИЧИИ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ
Для вывода формулы расчетной глубины талой зоны под зданием была проведена серия трехмерных теплофизических расчетов по программам, разработанным в ОАО ЦНИИС. Задание исходных данных для расчетов здания с учетом охлаждающих систем (термоопор) было осуществлено с учетом монографии (Пассек В.В., Петров В.И. Термоопоры - эффективный и перспективный вид конструкций на вечной мерзлоте. - М.: ЦНИИС, 2009. - 104 с).
Основные исходные данные, характеризующие данный конкретный объект, были приняты следующие.
Температура внутри здания была принята круглый год плюс 20°С, температура наружного воздуха - для Салехарда. Диаметр термоопоры (полой трубы) - 1,0 м, ее глубина - 20 м. Варьировалось - расстояние d между противоположными рядами термоопор (от 10 до 30 м) и величина теплоизоляции (от 0 до 50 см пенопласта).
Полученные значения глубины талой зоны в центре здания в зависимости от значения , где
ф
Δ - фактическая толщина пенопласта в конкретном варианте расчета, м;
Δ - максимальная толщина пенопласта (принята 0,5 м).
ц
В таблице приведены значения h для двух значений «n» равных 0 и 1.
На основании полученных данных подбором выведена формула:
, м;
где m=(0,8÷1,2).