книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

Установка термостабилизаторов непосредственно в пробу­ ренную скважину рекомендуется при бурении скважин в про­ стых грунтовых условиях, когда содержание крупнообломочных пород в грунте менее15%.

Установка термостабилизатора в полости несущей метал­ лической сваи производится при сложных инженерногеологических условиях, затрудняющих бурение отдельной скважины малого диаметра для его установки. В данном вариан­ те часть сваи, расположенная выше поверхности грунта, защи­ щает надземную часть термостабилизатора от случайных меха­ нических повреждений при обслуживании и ремонте здания или сооружения.

В отдельных случаях конструкция ростверка, здания или сооружения не позволяет осуществить установку термостабили­ затора в полость сваи, а грунтовые условия затрудняют бурение скважины для термостабилизатора, в этом случае рекомендуется установка в гильзе, закрепляемой с внешней стороны сваи. На гильзе допускаются плавные изгибы, не препятствующие уста­ новке термостабилизатора в полости гильзы. Верхняя надземная часть гильзы защищает термостабилизатор от случайных меха­ нических повреждений.

По условиям производства работ допускается установка гильзы в полости сваи.

Горизонтальные системы «ГЕТ». Система «ГЕТ» (горизон­ тальная естественнодействующая трубчатая) см. рис 13.13 пред­ назначена для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов оснований:

зданий и сооружений с полами по грунту шириной до 100 м; резервуаров любой емкости (до 100000м3); насыпей открытых площадок;

амбаров для сбора и временного хранения нефтепродуктов и полигонов твердых бытовых отходов (ТБО);

создания противооползневых защитных сооружений. Система «ГЕТ» позволяет строить здания любой ширины,

без проветриваемых подполий, укрупнять здания, исключать пандусы, что существенно повышает плотность застройки; сни­ зить затраты по отсыпке площадок, устройству инженерных се­ тей, дорог и проездов, на устройство фундаментов.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 5 2 - объектов в условиях Севера

Система состоит (рис. 13.13 а, б) из размещенных в насыпи, под теплоизоляцией, горизонтальных охлаждающих (испари­ тельных) и соединительных труб, выполненных из стальных труб Д=33,7мм или полиэтиленовых труб диаметром 32мм, кон­ денсаторного блока с ускорителем циркуляции (сепаратором)! разделяющим потоки жидкой паровой фаз и гидравлического: затвора. Система заправляется необходимым количеством хла­ дагента для заполнения охлаждающих и соединительных труб.

К Надземная часть

I / О

Подземная часть

Ь

Рис. 13.13. Схема системы «ГЕТ».

1 - охлаждающие трубы; 2 - теплоизоляция; 3,4, 5 - соединительные трубы (жидкостная, парожидкостная); 6 - конденсаторный блок; 7 - гидрозатвор с компенсатром; 8 - жидкосный вентиль; 9 - парожидкостный вентиль;

10 - компенсатор; 11 - ускоритель циркуляции; 12 - грязеотстойник.

Для обеспечения надежности основания и системы «ГЕТ» параллельно основной системе укладывается резервная система охлаждающих труб.

Конденсаторный блок предназначен для конденсации паров хладагента и перекачки его по системе за счет гравитационных сил. Гидрозатвор обеспечивает одностороннее движение тепло­ носителя в системе.

В зимний период в охлаждающих трубах происходят кипе­ ние хладагента (например, аммиака) и перемещение образовав­ шейся парожидкостной смеси по соединительным трубам в ус­ коритель циркуляции. В ускорителе циркуляции смесь гравита­

,13. Методы температурной стабилизация грунтов оснований зданий

^сооружений__________________________________________________________ ~ 2 5 3 -

ционно разделяется на пар и жидкость. Пар поступает в конден­ саторный блок, отдав тепло наружному воздуху, превращается в жидкость и вновь поступает в охлаждающие трубы. Таким обра­ зом, осуществляется прямой термодинамический цикл, в про­ цессе которого тепло от грунтов основания передается наруж­ ному воздуху и происходит аккумулирование зимнего холода в грунте. В летний период работа системы автоматически пре­ кращается, так как температура наружного воздуха становится выше температуры грунта в зоне размещения охлаждающих трубок. Величина теплоизоляции рассчитывается таким обра­ зом* чтобы не допустить оттаивание грунтов под теплоизоляци­ ей на конец летнего периода.

Основные параметры используемых систем ГЕТ следую­ щие:

длина охлаждающих труб на один конденсаторный блок со­ ставляет от 300 до 600 метров;

поверхность блока конденсаторного 110 кв. метров; шаг укладки охлаждающих труб 0,5-1 метр; толщина теплоизоляции из пеноплэкса 150-200 мм.

Вертикальные системы «ВЕТ». Система «ВЕТ» (верти­ кальная естественнодействующая трубчатая) предназначена для охлаждения и замораживания талых грунтов с целью создания низкотемпературного твёрдомёрзлого массива в основании зда­ ний и сооружений. Рекомендуется систему использовать при наличии в основании несливающейся мерзлоты. Особенностью работы систем «ВЕТ», является -то, что замораживание талого слоя происходит радиально, при котором не создаётся условие для значительного выпучивания грунтов.

Система состоит (рис.13.14) из вертикальных охлаждающих (испарительных) труб (ТОВ), расположенных под зданием, ко­ торые в верхней части объединены соединительной трубой в единую систему. Соединительная труба через гидрозатвор под­ ключается к конденсаторному блоку с ускорителем циркуляции.

Основные параметры используемых систем ГЕТ следую­ щие:

глубина ТОВ до 20 м; поверхность блока конденсаторного 1 Юм2;

Методытемпературной стабилизации грунтов оснований здании ^сооружении__________________________________________________________ -Z J J -

Конденсаторный блок заправляется в заводских условиях хладоагентом:

хладон - 717 «аммиак» по ГОСТ 6221; хладон - 22 «фреон» по ГОСТ 8502.

Максимальное рабочее давление в системах не превышает 5

J T / CM2.

При проектировании систем горизонтальной и вертикаль­ ной стабилизации грунтов необходимо предусматривать про­ кладку резервных охлаждающих полиэтиленовых труб, соеди­ нительные трубки которых подводятся к конденсаторному бло­ ку, свободные концы закрываются герметичными заглушками.

На отдельных участках, где по условиям вертикальной пла­ нировки высота насыпи меньше минимальной, определенной расчетом, под основание насыпи необходимо укладывать тепло­ изоляционный экран из плит.

Насыпь следует выполнять, как правило, в зимний период после промерзания сезонно-талого слоя грунта не менее чем на 6.2 м(СНиП 2.02.04-88, п.3.34).

Для ускорения процесса замораживания грунтов сезоннооттаивающего слоя, при необходимости (теплая осень, рано вы­ павший снег и др.) выполняются работы по очистке площадки от снега.

В процессе эксплуатации охлаждающие трубопроводы сис­ тем горизонтальной и вертикальной стабилизации грунтов осно­ ваний находятся в массиве твердомерзлого грунта и не подвер­ жены коррозии.

Результаты расчетов труб систем температурной стабили­ зации на прочность приведены в таблице 13.2.

Т а б л и ц а 13.2

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 2 5 6 - объектов в условиях Севера

Продолжение табл.13.2

Специальные СОУ для глубокого замораживания грунтов. Как уже отмечалось, парожидкостные СОУ с пле! ночным течением эффективно применяются для замора­ живания грунта на строительную глубину до 10.. Л5м.

Для глубокого замораживания и охлаждения грунтов (до 50 м и глубже) разработаны специальные СОУГ (глубинные).

Конструкция СОУГ изображена на рис. 13.15. СОУГ пред­ ставляет собой цилиндрический корпус диаметром 57 мм с внутренней циркуляционной трубой диаметром 33,7 мм. На глубине 5 м от поверхности труба диаметром 57 мм переходит в трубу диаметром 89 мм, к которой над поверхностью грунта присоединяется конденсаторная часть. В качестве теплоносите­ ля используется диокись углерода, который имеет высокую за­ висимость давления насыщения от температуры.

Конструкции СОУГ реализуют следующие оптимальные показатели:

минимально возможный расход теплоносителя и мини­ мально возможный диаметр бурения (обсадная труба диаметром 114 мм);

высокая эффективность за счет развитой удельной поверх­ ности конденсатора: не менее 0,5 м2 поверхности на 1 п.м. под­ земной охлаждаемой части;

отсутствие потерь на замораживание деятельного слоя и минимально возможное рабочее давление (не выше 40 атм. в летнее время);

гарантия герметичности за счет поставки элементов заво­ дской готовности и полевой автоматической сварки СВД с ком­ пьютерным контролем;

минимально возможные температурные потери по глубине СОУ за счет развитой скорости циркуляции;

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -260- объектов в условиях Севера

грунтов оснований в вечномёрзлом состоянии с использованием различных систем температурной стабилизации на период строительства и эксплуатации.

Для решения задачи теплопроводности и формирования распределения, температуры вокруг сооружения в настоящее время имеется широкий набор моделей и методов получения численных результатов. Наиболее разработанной постановкой задачи теплообмена в породе с фазовыми переходами поровой влаги является так называемая задача Стефана. При этом при-: нимают, что фазовые переходы поровой влаги происходят при

0°С; в грунте существуют талая и мерзлая зоны с постоянными в их пределах теплофизическими характеристиками; на границе раздела указанных зон, представленной нулевой изотермой, имеет место разрыв тепловых потоков, пропорциональный ско­ рости перемещения границы. Постановка Стефана по своему физическому содержанию применима к породам, в которых фа­ зовый переход поровой влаги происходит на фиксированной изотерме, соответствующей температуре замерзания или таяния; В дисперсных породах и коренных с тонкопористой структурой порового пространства поровая влага замерзает в широком спектре отрицательных температур. В настоящее время наибо­ лее широко используют метод конечных разностей.

С использованием метода конечных разностей разработаны несколько компьютерных программ для расчётов теплового взаимодействия зданий и сооружений с вечномёрзлыми грунта­ ми оснований.

1. Программа «НЕАТ» кафедры геокриологии МГУ им. М.В. Ломоносова. Решена двухмерная задача. Программа больше представляет собой демонстративный материал для обучения студентов, нежели пригодный для практических рас­ чётов. Кроме того, при ее разработке допущена существенная математическая ошибка. Проекции векторов частных производ­ ных А х и Ау на нормаль в расчётной точке изотермы, незави­

симо от ее местоположения, приняты равными, что является грубейшей ошибкой.

2. Программа «FROST» Сибирского отделения РАН. Реше­ на трехмерная задача. Однако программа недоработана. Вы­ ходные материалы трудно интерпретировать и использовать в практических расчетах.