СВАЯ СТАЛЬНАЯ ЗАПОЛНЕННАЯ СО ВСТРОЕННЫМ СЕЗОННЫМ ОХЛАЖДАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ (ВАРИАНТЫ)
STEEL FILLED PILE WITH BUILT-IN SEASONAL COOLING DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям свай для грунтов, характеризующихся наличием процесса морозного пучения грунта.
При строительстве фундаментов в многолетнемерзлых грунтах остро стоит вопрос борьбы с сезонными пучениями фундаментов. Решение этой проблемы достигается применением стальных винтовых или гладких свай совместно с сезонными охлаждающими устройствами (СОУ). При этом СОУ устанавливаются в непосредственной близости от несущей стальной сваи. СОУ содержат в своей внутренней полости хладагент, а также зону испарения, транспортную зону и зону конденсации. В расположенной в нижней части СОУ зоне происходит испарение хладагента, сопровождающееся понижением температуры, что вызывает промораживание грунта вокруг нижней части СОУ. После испарения пары хладагента поднимаются по транспортной зоне, находящейся в деятельном слое грунта, в верхнюю часть СОУ, которая находится над поверхностью грунта, где и расположена зона конденсации. В зоне конденсации происходит переход хладагента из газообразного состояния в жидкое, и хладагент в жидкой фазе стекает под действием гравитации в нижнюю часть СОУ. Этот процесс происходит до тех пор, пока отрицательных температур воздуха хватает для конденсации хладагента. При превышении температуры воздуха выше этого значения работа СОУ прекращается. Таким образом, СОУ работают в холодный период года, перенося холод из атмосферы в грунт. В результате в нижней части сваи вокруг зоны испарения СОУ в течение холодного периода года формируется некоторый объем промороженного до значительных минусовых температур грунта, в который вморожена нижняя СОУ и нижняя часть защищаемой им несущей сваи. Для устойчивости фундамента к пучениям отрицательные температуры в этом объеме грунта должны сохраняться в течение всего теплого периода года вплоть до наступления отрицательных температур, необходимых для начала работы СОУ в следующем холодном сезоне.
В патентной литературе описано достаточно много различных решений по использованию СОУ для свай, монтируемых в многолетнемерзлых грунтах.
В патенте US 3828845 описана опорная конструкция (в частном случае трубчатая свая), нижняя часть которой устанавливается в замороженном грунте, выполненная из хорошо теплопроводящего материала, содержащая охлаждающий элемент в виде тепловой трубы с относительно небольшим количеством рабочей жидкости в нем, нижняя часть указанного элемента устанавливается в полости опорной конструкции, верхняя часть указанного элемента выполнена с возможностью соединения с теплообменником.
В US 4036286 описана опорная конструкция в форме трубчатой оболочки, устанавливаемой в мерзлых грунтах и сопряженного с ней (снаружи или изнутри) трубчатого элемента охлаждающего устройства. Подземная часть оболочки предпочтительно имеет множество ребер для отвода тепла, а трубчатый элемент охлаждающего устройства имеет участок с радиатором, выступающим над грунтом. Рабочая жидкость охлаждающего устройства предпочтительно представляет собой жидкую смесь воды и этиленгликоля.
Свайная опора по патенту RU 2250302 содержит железобетонный или металлический вертикальный трубчатый ствол с горизонтальной опорной площадкой, расположенной над поверхностью грунта, и охлаждающее устройство в виде двух тепловых труб. Последние имеют одинаковые транспортные зоны и зоны испарения, расположенные внутри трубчатого ствола симметрично относительно его оси, и зоны конденсации. При этом зоны испарения обеих тепловых труб соединены своими нижними частями, а зоны конденсации расположены наклонно над поверхностью грунта под горизонтальной опорной площадкой сваи.
В патенте RU 84404 описана охлаждаемая свайная опора, содержащая частично заглубленный в грунт металлический или железобетонный ствол, снабженный со стороны верхнего торца опорной площадкой, а также охлаждающее устройство сезонного действия и емкость с аккумулирующим холод веществом, данная емкость выполнена из эластичного материала и размещена вне указанного ствола в выполненной в грунте закрытой сверху вертикальной скважине с прилеганием к ее стенкам, а охлаждающее устройство сезонного действия выполнено в виде одной или нескольких размещенных вне указанного трубчатого ствола вертикально ориентированных гравитационных тепловых труб с зонами испарения и конденсации и размещенной между ними транспортной зоной, причем зона испарения каждой из этих тепловых труб находится ниже, а зона конденсации - выше поверхности грунта.
Свайная опора по авторскому свидетельству SU 630337 выполнена в виде частично заглубленного в грунт трубчатого ствола, закрытого с обоих торцов, верхний из которых является опорной площадкой. Указанный трубчатый ствол заправлен хладагентом и функционирует как тепловая труба с зонами испарения, транспортной зоной и зоной конденсации, расположенными вдоль трубчатого ствола по его высоте. В заглубленной части трубчатого ствола с зазором относительно внутренней поверхности его стенки размещена емкость с аккумулирующим холод веществом. В качестве аккумулирующего холод вещества использован глинистый грунт.
Конструктивно СОУ представляют собой герметичные трубы малых диаметров, заполненные хладагентом, с размещенным в верхней части радиатором охлаждения. При установке СОУ необходимо обеспечить расположение радиатора охлаждения выше уровня снегового покрова, т.к. в случае нахождения радиатора охлаждения под снегом, работа СОУ прекращается.
Подобная конструкция СОУ определяет ряд неудобств, связанных с их монтажом и эксплуатацией. Во-первых, СОУ изготавливаются из труб малых диаметров - от 25 до 33 мм, имея при этом значительную длину - до 12 метров. При таком соотношение диаметра и длины СОУ представляет собой очень гибкую конструкцию, что требует осторожного обращения с СОУ при выполнении погрузо-разгрузочных и монтажных работ, в противном случае возможно повреждение СОУ. После монтажа верхняя часть СОУ выступает над поверхностью земли на значительную высоту, что, учитывая малые поперечные размеры СОУ, и, следовательно, их плохую заметность, создает предпосылки для повреждения СОУ машинами и механизмами как в период строительства объектов, так и в период их эксплуатации.
Известные решения не могут рассматриваться как отвечающие современным требованиям по возведению свайного фундамента в условиях мерзлых грунтов (конструкции свай либо полые, либо выполнены из монолитного железобетона). Для обеспечения несущей способности свай необходимо предотвращение эрозии вечной мерзлоты. Для решения этой задачи полости свайных фундаментов согласно действующим нормативным документам должны заполняться после их установки цементными растворами. Учитывая специфику строительства в условиях вечной мерзлоты, когда строительство ведется большей частью в зимний период при отрицательных температурах воздуха, проблематично обеспечить выполнение этого типа работ для полых свай. Кроме того, независимо от типа сваи установка СОУ как дополнительного устройства вызывает сложности как в период монтажа, так и в период эксплуатации.
В настоящее время при строительстве зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты в качестве фундаментов широко используются сваи, выполненные из стальных труб, в том числе винтовые. Так как, учитывая специфику строительства в условиях вечной мерзлоты, когда строительство ведется большей частью в зимний период при отрицательных температурах воздуха, то для обеспечения несущей способности свай и предотвращения эрозии вечной мерзлоты был разработан новый тип свай, описанный в патенте RU 89539.
В этом патенте с целью решения указанной проблемы предлагается полное заполнение полости свай, выполненных из стальных труб, в том числе винтовых, по всей их высоте любыми пенными наполнителями, например, такими как пенобетон, пенополистирол, вспененный пенополистирол, пенополистиролбетон, пенополиуретан, пеноплекс или любые другие аналогичные наполнители. Поскольку внутренняя полость сваи не подвержена никаким механическим нагрузкам, никаких требований к прочности материала-заполнителя не предъявляется. Единственное требование к материалу-заполнителю - низкая теплопроводность, низкое водопоглощение и удельный вес, что и обеспечивают пеноматериалы.
Такая свая представляет собой вытянутое по длине тело вращения типа трубы постоянного или переменного сечения, полость которой заполнена пенным наполнителем, типа пенобетона, или пенополистирола, или вспененного пенополистирола, или пенополистиролбетона, или пенополиуретана, или пеноплекса, или твердым наполнителем из вспененных материалов, при этом полость трубы заполнена наполнителем по всей высоте сваи (принято в качестве прототипа).
Эта свая по своей конструкции полностью отвечает современным требованиям, предъявляемым в строительству свайных конструкций в условиях промерзающего грунта. Однако, такие сваи редко используются при строительстве фундаментов в многолетнемерзлых грунтах с сезонными пучениями фундаментов из-за отсутствия или сложности установки сезонных охлаждающих устройств (СОУ).
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной долговечности за счет исключения возможности повреждения СОУ и упрощении конструкции стальной сваи с наполнителем при использовании СОУ без радиатора.
Указанный технический результат достигается тем, что свая стальная заполненная со встроенным сезонным охлаждающим устройством, представляющая собой вытянутое по длине трубчатой формы тело вращения постоянного или переменного сечения, полость которого по всей высоте сваи заполнена пенным наполнителем или твердым наполнителем из вспененных материалов, оснащена сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром, меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения, при этом указанная стальная труба размещена в полости трубчатой формы тела вращения у ее внутренней стенки и отделена от наполнителя по всей длине стальной трубы защитным элементом с образованием между этим элементом и самой стальной трубы зазора.
Для этого варианта возможно, что полость зазора по крайней мере на части высоты сваи или в зонах конденсации и испарения может быть заполнена фрагментированными или порошковыми теплопроводящими твердыми материалами, или незамерзающими теплопроводящими жидкостями или гелями, или отверждаемыми теплопроводящими составами или их смесями.
Указанный технический результат достигается тем, что свая стальная заполненная со встроенным сезонным охлаждающим устройством, представляющая собой вытянутое по длине трубчатой формы тело вращения постоянного или переменного сечения, полость которого по всей высоте сваи заполнена пенным наполнителем или твердым наполнителем из вспененных материалов, оснащена сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром, меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения, при этом указанная стальная труба размещена в полости трубчатой формы тела вращения у ее внутренней стенки и отделена от наполнителя в зонах конденсации и испарения защитными элементами с образованием между этими элементами и самой стальной трубы зазора.
Для этого варианта возможно, что полость зазора по крайней мере на части высоты сваи или в зонах конденсации или испарения заполнена фрагментированными или порошковыми теплопроводящими твердыми материалами, или незамерзающими теплопроводящими жидкостями или гелями, или отверждаемыми теплопроводящими составами или их смесями.
Указанный технический результат достигается тем, что свая стальная заполненная со встроенным сезонным охлаждающим устройством, представляющая собой вытянутое по длине трубчатой формы тело вращения постоянного или переменного сечения, полость которого по всей высоте сваи заполнена пенным наполнителем или твердым наполнителем из вспененных материалов, оснащена сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром, меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения, при этом у внутренней стенки трубчатой формы тела вращения выполнено по всей длине этого тела отверстие диаметром, большим диаметра стальной трубы, а указанная стальная труба размещена в полости этого отверстия у внутренней стенки трубчатой формы тела вращения с зазором относительно стенки этого отверстия.
Для этого варианта возможно, что по крайней мере на части высоты сваи или в зонах конденсации испарения полость, образованная между стальной трубой и стенкой отверстия, может быть заполнена фрагментированными или порошковыми теплопроводящими твердыми материалами, или незамерзающими теплопроводящими жидкостями или гелями, или отверждаемыми теплопроводящими составами или их смесями.
Для всех вариантов исполнения для усиления эффекта промораживания сваи стальная труба может быть введена в контакт с внутренней стенкой трубчатой формы тела вращения.
Указанные признаки являются существенными и достаточными для получения требуемого технического результата.
Изобретение поясняется чертежами:
фиг. 1 - заполненная стальная свая со встроенным СОУ с защитным профилем по всей длине, первый вариант исполнения;
фиг. 2 - поперечное сечение сваи по фиг. 1;
фиг. 3 - заполненная стальная свая со встроенным СОУ с защитным профилем в зонах испарения и конденсации, второй вариант исполнения;
фиг. 4 - поперечное сечение сваи по фиг. 3;
фиг. 5 - заполненная стальная свая с СОУ, встроенным в отверстие в наполнителе, третий вариант исполнения;
фиг. 6 - поперечное сечение сваи по фиг. 5.
Предлагается стальная гладкая или винтовая свая, выполненная по конструкции, описанной в RU 89539. Особенностью заявленных стальных трубчатой формы свай является оснащение ее встроенным СОУ. Размещение СОУ внутри несущей стальной сваи обеспечивает его защиту при транспортировке и выполнении погрузо-разгрузочных и монтажных работ, а также исключает повреждение СОУ в результате наезда транспортных средств и строительных механизмов. Кроме этого упрощается конструкция самого СОУ, т.к. при размещении СОУ внутри стальной сваи исключается необходимость в радиаторе охлаждения в силу того, что находящаяся над землей верхняя часть стальной сваи обладает достаточно большой массой, и, как следствие, большой тепловой инерцией, достаточной для конденсации хладагента. Кроме этого, как правило, стальная свая через фланец или иным способом соединяется с некоторой стальной строительной конструкцией, которая дополнительно увеличивают отвод тепла от верхней части сваи в холодный период. Таким образом, СОУ может выполняться без радиатора и представлять из себя стальную трубу малого диаметра, заполненную хладагентом. Исполнение СОУ без радиатора снизит его стоимость, а размещение СОУ внутри стальной сваи исключит затраты на транспортировку и монтаж СОУ на объекте строительства.
Пенные наполнители, которые рекомендованы для заполнения внутренней полости свай по ПМ 89539 являются теплоизолирующими материалами, поэтому в системе «СОУ-пенный наполнитель-внутренняя стенка стальной сваи» необходимо в нижней и верхней частях СОУ, соответствующих зонам испарения и конденсации, обеспечить хорошую теплопередачу между телом СОУ и внутренней стенкой стальной сваи. Решение этой задачи может быть выполнено тремя вариантами.
По всем вариантам исполнения (фиг. 1, 3 и 5) свая стальная представляет собой вытянутое по длине трубчатой формы тело 1 вращения постоянного или переменного сечения, полость которого по всей высоте сваи заполнена пенным наполнителем 2 или твердым наполнителем из вспененных материалов. При этом свая оснащена сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром 3, меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения.
По первому варианту исполнения (фиг. 1 и 2) указанная стальная труба размещена в полости трубчатой формы тела вращения у ее внутренней стенки и отделена от наполнителя по всей длине стальной трубы защитным элементом/ами с образованием между этим элементом и самой стальной трубы зазора 4. По этому варианту предлагается по всей длине СОУ защитить СОУ от пространства стальной сваи, заполняемого пенными материалами, защитными элементами 5: металлическими или пластмассовыми или композитными профилями, например уголками, швеллерами, или другими профилями. До заполнения сваи в нее устанавливается СОУ, поверх которого накладываются защитные профили, которые фиксируются к внутренней стенке стальной сваи любым известным способом, например сваркой, склеиванием или любым другим способом. Размер профиля должен быть выбран таким, чтобы между стенками профиля и телом СОУ оставался некоторый зазор. Для улучшения теплопередачи между телом СОУ и стенкой стальной сваи полости (зазор), образовавшиеся между защитным профилем, телом СОУ и стенкой стальной сваи, могут заполняться любыми фрагментированными или порошковыми теплопроводящими твердыми материалами, или незамерзающими теплопроводящими жидкостями или гелями, или отверждаемыми теплопроводящими составами или смесями (например, бетоном или цементным раствором, в т.ч. с наполнителями, повышающими их теплопроводность). При этом при защите СОУ защитным профилем по всей длине, заполнение теплопроводящими материалами может выполняться либо по всей длине СОУ, либо на части длины. После установки СОУ и защитных профилей и заполнения полости между защитным профилем и СОУ производится заполнение пенным материалом внутренней полости самой стальной сваи.
По второму варианту исполнения (фиг. 3 и 4), указанные защитные элементы с образованием между этим элементом/тами и самой стальной трубой зазора предлагается устанавливать только в зонах конденсации и испарения. В остальном данный вариант полностью повторяет первый вариант исполнения.
По третьему варианту исполнения (фиг. 5 и 6) свая стальная представляет собой вытянутое по длине трубчатой формы тело вращения постоянного или переменного сечения, полость которого по всей высоте сваи заполнена пенным наполнителем или твердым наполнителем из вспененных материалов. А сезонное охлаждающее устройство выполненное в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром, меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения, размещено у внутренней стенки трубчатой формы тела вращения, у которой выполнено по всей длине этого тела отверстие 6 диаметром, большим диаметра стальной трубы. При этом указанная стальная труба размещена в полости этого отверстия у внутренней стенки трубчатой формы тела вращения с зазором относительно стенки этого отверстия.
Таким образом, в этом варианте предлагается в предварительно заполненной стальной свае по всей ее длине выполнить в пенном материале отверстие 6, прилегающее к внутренней стенке стальной сваи. Поперечный размер отверстия должен обеспечивать размещение внутри него тела СОУ. Для улучшения теплопередачи между телом СОУ и стенкой стальной сваи, полость между стенками отверстия и телом СОУ может заполняться любыми фрагментированными или порошковыми теплопроводящими твердыми материалами, или незамерзающими теплопроводящими жидкостями или гелями, или отверждаемыми теплопроводящими составами или смесями (например, бетоном или цементным раствором, в т.ч. с наполнителями, повышающими их теплопроводность). Заполнение указанной полости теплопроводящими материалами может выполняться либо по всей длине СОУ либо только в зоне испарения и конденсации, с заполнением средней части теплоизолирующими материалами, полость в средней части СОУ также может быть выполнена полой.
Независимо от способа монтажа СОУ внутри сваи для контроля температуры в нижней части сваи может быть вмонтирован температурный датчик, провода от которого выведены в верхнюю часть сваи для подключения измерительных устройств.
Таким образом, предлагается модернизировать стальную сваю с наполнителем внутри, оснастив ее усовершенствованной системой СОУ, что позволило успешно использовать такие сваи при возведении фундамента в грунте с сезонными пучениями фундаментов. При этом упрощается конструкция такой усовершенствованной сваи и повышается ее эксплуатационная долговечность за счет исключения возможности повреждения СОУ.