Восстановление кровли многолетнемерзлых грунтов
Чем грозит потепление строительству на мерзлоте
Cтроительство и эксплуатация зданий и инженерных сооружений в районах распространения вечной мерзлоты имеют свои особенности . Они обусловлены суровостью климатических и сложностью инженерно-геологических условий, требующих особых методов, знаний и стандартов.
Газопровод, который был подземным, а теперь оказался на поверхности в результате оттаивания вечной мерзлоты. Фото Г. Гривы. Газопровод, который был подземным, а теперь оказался на поверхности в результате оттаивания вечной мерзлоты. Фото Г. Гривы.Как известно, тренд потепления с градиентом около 0,6-0,7?С за сто лет наблюдается уже второе столетие, и за последние десятилетия средняя температура воздуха в Российской Арктике местами повысилась на градус и даже более. Вот как на это прореагировали ландшафты: увеличилась пучинистость грунтов (свойство увеличивать объём при замерзании); активизировались процессы термокарста и термоденудации (разрушения рельефа в связи с оттаиванием); увеличилось количество криогенных оползней и интенсифицировалось вязкое течение грунта на склонах; увеличились темпы термоэрозии и оврагообразования; резко увеличились площади выгорания бореальных лесов с последующей деградацией вечной мерзлоты; разрушаются льдистые берега до 15 метров в год. Эти естественные процессы на огромных территориях усиливаются хозяйственной деятельностью человека, особенно при строительстве линейных сооружений большой протяжённости.
Очаговый характер освоения начинает сменяться фронтальным. Растёт аварийность геотехнических систем. По некоторым данным, криогенные факторы являются причиной 23% отказов технических систем и 29% потери добычи углеводородов. Это выпучивание колон, каркасов зданий, термокарстовые просадки, различные деформации сооружений и технических систем. Вдоль магистральных газопроводов происходит заболачивание, подтопление систем и, как следствие, всплывание магистральных газопроводов (см. фото заставки). Во многом это связано с экономией на изысканиях, устаревшими стандартами и нормами, с нарушением режима эксплуатации. Криогенные факторы разрушительны и для тёплых, и для охлаждённых трубопроводов. Серьёзные проблемы возникают при строительстве железных дорог и автодорог. Во всех городах, построенных на мерзлоте, растёт число разрушений и аварий.
Деформации на взлётно-посадочной полосе аэропорта Инувика. Фото правительства Канады 2013 года, отсюда. Деформации на взлётно-посадочной полосе аэропорта Инувика. Фото правительства Канады 2013 года, отсюда.Закрыли мерзлотные службы, нарушаются правила эксплуатации, а оттаивающая мерзлота делает своё дело. Это происходит из-за отсутствия системного подхода к проблеме, из-за сокращения специалистов с профессиональным геокриологическим образованием в проектных и изыскательских учреждениях, отступления от выработанных ранее подходов к освоению северных районов, стандартов изысканий, проектирования и строительства, утраты знаний и опыта. Продолжается увеличение масштабов освоения территорий с криолитозоной и одновременно ухудшение качества изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений.
На территориях со сплошным распространением многолетнемёрзлых пород, к которым относится Арктическое побережье России, строительство сооружений осуществляется с использованием оснований по принципу I, т.е. с сохранением его мёрзлого состояния. При этом в качестве охлаждающего устройства используется вентилируемое подполье, а основного вида фундамента – сваи под тяжёлые сооружения и фундаменты на подсыпках под лёгкие сооружения, которые не выделяют тепла.
В большинстве случаев, из-за почти повсеместного распространения на Арктическом побережье засолённых мёрзлых грунтов и их высокой льдистости, они находятся в пластичномёрзлом состоянии. По наблюдениям, группы жилых домов в посёлках Амдерма, Диксон, Тикси, Певек продолжают деформироваться более пятидесяти лет. Поэтому расчёт оснований и фундаментов сооружений должен, по действующим нормативным документам, осуществляться как по несущей способности, так и по деформациям. Однако на практике это обязательное требование редко выполняется, что представляет собой одну из распространённых ошибок.
Разрушение многоквартирного дома в Амдерме, побережье Карского моря, в связи с повышением температуры и потерей несущей способности свай в засолённых мёрзлых грунтах. Фото А.В. Брушкова. Разрушение многоквартирного дома в Амдерме, побережье Карского моря, в связи с повышением температуры и потерей несущей способности свай в засолённых мёрзлых грунтах. Фото А.В. Брушкова.Кроме того, в расчётах оттаивания засолённых грунтов часто не учитывается фазовый переход грунтовой влаги в диапазоне отрицательных температур, а также увеличение периода оттаивания. Это приводит к уменьшению прогнозной глубины оттаивания и, как следствие, увеличенным осадкам фундаментов, что оказывается причиной деформаций сооружений.
На территории застройки температурам грунтов следовало бы быть ниже, чем в естественных условиях, из-за удаления снега и проветриваемых подполий, но в действительности это наблюдается редко. Частично это происходит в Якутске, где в естественных условиях тайги или открытых пространств температуры грунтов составляют -3 ? - 5 ?С, а в городе на территории застройки иногда опускается до около -7 ?С. (Мы сохраняем мерзлоту под зданиями круглогодично, с небольшим, обычно до метра, протаиванием летом и образованием сезонномёрзлого активного слоя, который осенью вновь промерзает).
Однако в посёлке Тикси, например, температура грунтов составляет -7°С, а вне посёлка до -12°С; в посёлке Амдерма на территории застройки -3°, а вне посёлка в ненарушенных условиях -4,5°. Кроме того, во многих городах и посёлках в Арктике сегодня происходит повышение температуры мёрзлых грунтов на глубине нулевых амплитуд. Поскольку в процессе изысканий в основном определяется температура грунтов на ненарушенной территории, назначение расчётных значений прочностных характеристик мёрзлых грунтов приводит к завышению проектной несущей способности оснований.
Результат развития чаши оттаивания под деревянным домом в п. Амдерма на побережье Карского моря. Фото A.В. Брушкова. Результат развития чаши оттаивания под деревянным домом в п. Амдерма на побережье Карского моря. Фото A.В. Брушкова.Значительной проблемой являются на побережье снежные заносы. Многие посёлки в Арктике расположены на территориях со среднегодовой скоростью ветра более 6 м/сек. Застроенная территория представляет собой преграду на пути ветрового потока, и поэтому здесь отлагаются большие массы снега. Известны снежные завалы высотой до двух-трёх этажей и более. При этом снег, как правило, оказывает сильное отепляющее влияние, что также является причиной деформации сооружений. Для защиты от снежных заносов пока недостаточно применяются решения застройки в виде закрытых групп зданий, разделённых коридорами для пропуска снегового потока.
Важной задачей остаётся сохранение при строительстве мохорастительного покрова, способного охлаждать грунты на 1-2 и более ?С. Поэтому вертикальная планировка на застраиваемой территории часто устраивается на подсыпках. Однако часто происходит нарушение этого принципа и, как следствие, деформации сооружений. Следует рекомендовать широкое применение сплошной подсыпки, а также сочетание подсыпок с теплоизоляционными материалами, которые позволяют уменьшить её расчётную высоту, что рекомендовал в своё время выдающийся инженер-геокриолог Ю.Я. Велли и другие.
Большое значение имеет выбор места строительства. Посёлок Буор-Хая был спроектирован на мощном прослое льда. При строительстве площадка потеряла устойчивость, с образованием грязевого потока, направленного в сторону моря. Строительство пришлось прекратить, а посёлок перенести на новое место. По этой же причине в посёлке Черском при строительстве комплекса служебно-жилых зданий пришлось выполнить трудоёмкие работы по сплошной подсыпке территории. Значительный ущерб для линейных сооружений был нанесен оврагообразованием на территории посёлков Диксон и Тикси.
Обрушившаяся из- за неравномерной просадки фундамента секция здании в посёлке Черский. Фото В.Романовского, отсюда. Обрушившаяся из- за неравномерной просадки фундамента секция здании в посёлке Черский. Фото В.Романовского, отсюда.При отступании морских берегов со скоростью более трёх метров в год многие здания в небольших посёлках оказываются в опасной близости к морю. Известны примеры разрушений, вызванных термоабразией в посёлках Варандей, Амдерма, Харасавэй и других местах.
Непосредственной причиной деформаций является часто изменение температурного режима при строительстве, преимущественно из-за теплового влияния зданий или попадания сточных вод в основание. В посёлке Диксон в своё время затраты на восстановление деформирующихся зданий достигали 25% и более от их балансовой стоимости. В то же время подсчёты на примерах Амдермы и Якутска показали, что расходы на содержание мерзлотной службы в 24 раза меньше, чем затраты на ликвидацию последствий деформаций зданий.
Ущерб от деформаций зданий и инженерных сооружений на Арктическом побережье очень велик и составляет, по-видимому, многие миллиарды рублей в год. При этом ремонт и восстановление отдельных зданий обходится в 25-100% от их начальной стоимости. Однако методика оценки общего ущерба от опасных криогенных процессов на уровне территорий и регионов пока в деталях не разработана, несмотря на ряд предпринятых попыток.
В целом обследования состояния зданий и сооружений в городах и посёлках на Арктическом побережье показывают, что число деформированных объектов составляет 25-50% от общего их числа. С учётом возраставших объёмов строительства абсолютные значения экономического и социального ущерба всё время увеличивались. "Уроки деформаций зданий в Арктике наглядно свидетельствуют о необходимости резкого повышения требований к выбору площадок, качеству изысканий и проектирования, организации контроля за строительством и созданию мерзлотной службы по эксплуатации" – писал Ю.Я. Велли ещё в 1990 г., и с тех пор мало что изменилось.
Автодороги в районе Тикси и Певека устроены на песчано-гравийной насыпи, в основании которой залегают льдистые засолённые суглинки. Нарушение торфо-мохового слоя в период строительства, недостаточная высота насыпи (0.4 м) привели к вытаиванию льда. Образовались провалы, целые участки дорог после 2-3 лет эксплуатации погружались в грунты основания. Это наблюдалось и на Ямале, и в других местах. Часто выходят из строя опоры сетей электроснабжения, линий связи и водопроводов из-за слабого смерзания с засолёнными породами и интенсивного сезонноталого слоя. На участке развития криопэгов в морской лагуне зимнее промерзание вызывает интенсивные деформации пучения опор кабеля связи аэропорта Амдерма.
В целом число деформированных зданий в Амдерме составляет около 40%, в Диксоне - 33%, Тикси - 22%, Певеке - 50%. Обследования зданий в Амдерме, где основания сложены морскими засолёнными отложениями преимущественно суглинистого состава, показали, что из 268 зданий посёлка деформированы 108. 12% всех зданий находятся в аварийном состоянии. Из 66 каменных зданий деформированы 32. Из девятнадцати тепловых и электрических станций только две имеют незначительные деформации, а десять находятся в аварийном состоянии. При этом значительное число деформированных старых зданий разобрано или брошено.
Способ термостабилизации многолетнемерзлых грунтов и устройство для его реализации
Изобретение относится к области строительства трубопроводов подземной прокладки и может быть использовано для обеспечения термостабилизации грунтов при подземной прокладке трубопроводов на многолетнемерзлых и слабых грунтах. Устройство термостабилизации многолетнемерзлых грунтов содержит по меньшей мере два термостабилизатора грунта на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, и по меньшей мере один теплопроводящий элемент, выполненный в виде пластины из теплорассеивающего материала с коэффициентом теплопроводности не менее 5 Вт/м?К. По меньшей мере два термостабилизатора грунта установлены по обе стороны от трубопровода подземной прокладки, а по меньшей мере один теплопроводящий элемент установлен под теплоизоляционным материалом, отделяющим трубопровод подземной прокладки от кровли многолетнемерзлых грунтов, и имеет отверстия для соединения с испарительными частями по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта. Технический результат состоит в повышении эффективности сохранения многолетнемерзлых грунтов или замораживания слабых грунтов оснований объектов трубопроводной системы для обеспечения безопасности в течение назначенного срока эксплуатации на проектных режимах. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.
Группа изобретений относится к области строительства трубопроводов подземной прокладки и может быть использована для обеспечения термостабилизации грунтов при подземной прокладке трубопроводов на многолетнемерзлых и слабых грунтах.
Известно устройство для температурной термостабилизации многолетнемерзлых грунтов [патент на изобретение RU 2556591 C1, опубл. 10.07.2015, МПК: E02D 3/115], содержащее термостабилизатор на основе двухфазного термосифона, включающего надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, размещенные в гильзе с хладагентом. Гильза представляет собой полый цилиндрический корпус с дном и герметизирующим элементом на верхнем конце с отверстием для установки термостабилизатора. Герметизирующий элемент представляет собой разъемное сальниковое уплотнение, которое состоит из опорного кольца, установленного на выполненную в гильзе круговую ступеньку, нажимного кольца и уплотнительных колец из терморасширенного графита, зажатых между ними.
Известно также охлаждаемое основание сооружений [патент на полезную модель RU 143963 U1, опубл. 10.08.2014, МПК: E02D 3/115], включающее грунтовую отсыпку и охлаждающую систему сезонного действия, выполненную в виде заполненной низкокипящей жидкостью гравитационной тепловой герметичной трубы, состоящей из конденсатора и испарителя, и установленной коаксиально с внешней стороны трубы емкости из эластичного материала с аккумулирующим холод веществом, заключенной в жесткий каркас. Верхняя часть конденсатора расположена над поверхностью грунтовой отсыпки и снабжена с внешней стороны горизонтальным круговым оребрением, а верхняя часть испарителя расположена в грунтовой отсыпке. Длина нижней части конденсатора соответствует расстоянию между поверхностью грунтовой отсыпки и подошвой слоя сезонного оттаивания. Емкость с аккумулирующим холод веществом выполнена с длиной, соответствующей длине нижней части конденсатора, и расположена на уровне нижней части конденсатора. Оребрение внутри емкости выполнено с отверстиями для прохода аккумулирующего холод вещества. Нижняя часть испарителя расположена в основании грунтовой отсыпки.
Недостатками известных аналогов является использование в устройствах термостабилизации многолетнемерзлых грунтов жидких хладагентов, характеризующихся высокой скоростью испарения при нарушении герметичности охлаждающих систем. Кроме того, подобные устройства термостабилизации многолетнемерзлых грунтов не устойчивы к коррозии и требуют значительных затрат на их эксплуатацию.
Наиболее близким аналогом заявленной группы изобретений является система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах [патент на изобретение RU 2416002 C1, опубл. 10.04.2011, МПК: E02D 3/115], содержащая гидрозатвор, уравнительный сосуд, соединенный с конденсатором и связанный с ними посредством трубопроводов, подводящих и отводящих теплоноситель, испаритель, размещенный в отсыпке грунта основания. В известной системе содержится дополнительный испаритель с системой трубопроводов и гидрозатвором. Оба испарителя размещены равномерно по всей площади отсыпки грунта основания, оснащенного слоем теплоизоляции, и соединены с помощью трубопроводов посредством своих отводящих концов с верхними точками уравнительного сосуда. Подводящими концами основной и дополнительный испарители подсоединены в нижней точке конденсатора и нижней точке уравнительного сосуда соответственно через соответствующие гидрозатворы.
К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести использование жидких хладагентов, высокую себестоимость и металлоемкость системы для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах, формирующиеся за счет значительного количества применяемых узлов и агрегатов, что также делает их недостаточно надежными при эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является надежная температурная стабилизация многолетнемерзлых и/или слабых грунтов оснований объектов трубопроводной системы.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение эффективности сохранения многолетнемерзлых грунтов или замораживания слабых грунтов оснований объектов трубопроводной системы для обеспечения безопасности в течение назначенного срока эксплуатации на проектных режимах.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство термостабилизации многолетнемерзлых грунтов содержит по меньшей мере два термостабилизатора грунта на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, и по меньшей мере один теплопроводящий элемент, выполненный в виде пластины из теплорассеивающего материала с коэффициентом теплопроводности не менее 5 Вт/м?К, причем по меньшей мере два термостабилизатора грунта установлены по обе стороны от трубопровода подземной прокладки, а по меньшей мере один теплопроводящий элемент установлен под теплоизоляционным материалом, отделяющим трубопровод подземной прокладки от кровли многолетнемерзлых грунтов, и имеет отверстия для соединения с испарительными частями по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта.
Теплорассеивающий материал представляет собой теплорассеивающий полимерный композит, обладающий коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м?К.
Термостабилизаторы грунта установлены от оси трубопровода подземной прокладки на расстоянии , связанном с радиусом r зоны замерзания грунта термостабилизатора следующим соотношением: .
Край заложения теплопроводящего элемента отстоит от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта на расстоянии 0,2-0,3 r.
Кроме того, указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе термостабилизации многолетнемерзлых грунтов проводят выемку талого грунта на участке прокладки трубопровода до глубины залегания кровли многолетнемерзлых грунтов, проводят укладку песчаного слоя на кровлю многолетнемерзлых грунтов, укладывают на песчаный слой по меньшей мере один теплопроводящий элемент, выполненный в виде пластины из теплорассеивающего материала с коэффициентом теплопроводности не менее 5 Вт/м?К, укладывают на по меньшей мере один теплопроводящий элемент теплоизоляционный материал; проводят засыпку выемки талым грунтом; устанавливают по обе стороны от трубопровода подземной прокладки по меньшей мере два термостабилизатора грунтов на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, причем в теплопроводящем элементе выполняют отверстия для соединения с испарительными частями по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта.
В качестве теплорассеивающего материала используют теплорассеивающий полимерный композит, обладающий коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м?К.
Термостабилизаторы грунта устанавливают от оси трубопровода подземной прокладки на расстоянии , связанном с радиусом r зоны замерзания грунта термостабилизатора следующим соотношением: .
Край заложения теплопроводящего элемента размещают от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта на расстоянии 0,2-0,3 r.
Заявленная группа изобретений поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2), на которых изображены:
фиг. 1 - участок подземной прокладки трубопровода (вид сверху);
фиг. 2 - участок подземной прокладки трубопровода (продольный разрез),
и позициями обозначены:
1 - трубопровод подземной прокладки;
2 - кровля многолетнемерзлых грунтов;
3 - песчаный слой;
4 - теплопроводящий элемент;
5 - теплоизоляционный материал;
7 - термостабилизатор грунта.
В частном случае выполнения заявленной группы изобретений устройство термостабилизации многолетнемерзлых грунтов может содержать два термостабилизатора грунта 7, установленных оппозитно друг другу по обе стороны от трубопровода подземной прокладки 1, и теплопроводящий элемент 4, размещенный поперек оси трубопровода между испарительными частями термостабилизаторов грунта 7. Кроме того, устройство термостабилизации многолетнемерзлых грунтов может содержать два и более теплопроводящих элемента 4, размещенных поперек оси трубопровода между испарительными частями двух и более пар установленных оппозитно друг другу термостабилизаторов грунта 7.
Термостабилизаторы грунта 7 выполнены на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную верхнюю конденсаторную часть и подземные среднюю транспортную и нижнюю испарительные части. Термостабилизаторы грунта 7 отстоят от оси трубопровода подземной прокладки 1 на расстояние , значение которого для гарантированного промораживания грунта в зоне прокладки трубопровода выбирают из диапазона , где r - радиус зоны замерзания грунта термостабилизатора 7 при среднезимней температуре минус 15°C. Параметр r зависит от выбора конкретного типа термостабилизатора грунта 7. В частности, при использовании известных термостабилизаторов грунта, радиус зоны замерзания грунта при среднезимней температуре минус 15°C будет находиться в диапазоне 1-1,5 м.
Теплопроводящий элемент 4 выполнен в виде пластины из теплорассеивающего материала, обладающего коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м?К, и предпочтительно стойкостью к термическим воздействиям до 250°C и химическим воздействиям. В качестве материала с такими свойствами может быть использован теплорассеивающий полимерный композит - гранулированная пластмасса, в отличие от обычных пластмасс обладающая способностью принципиально лучше (в 10-100 раз больше) проводить через себя тепло и передавать (рассеивать) его в окружающую среду. В предпочтительном варианте пластина теплопроводящего элемента 4 может быть выполнена из длинномерных труб из теплорассеивающего полимерного композита, жестко соединенных между собой по всей длине по соприкасающимся образующим.
Теплопроводящий элемент 4 установлен под теплоизоляционным материалом 5, отделяющим трубопровод подземной прокладки 1 от кровли многолетнемерзлых грунтов 2, и имеет отверстия для соединения с испарительными частями по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта 7. В качестве теплоизоляционного материала 5 может быть использован экструзионный вспененный полистирол (например, компании «ТехноНИКОЛЬ»). Край заложения теплопроводящего элемента 4 отстоит от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта 7 на расстояние 0,2-0,3 r, где r - радиус зоны замерзания грунта термостабилизатора, что обеспечивает надежную сохранность грунтов оснований объектов трубопроводной системы в многолетнемерзлом состоянии.
Заявленный способ термостабилизации многолетнемерзлых грунтов осуществляют следующим образом.
Первоначально проводят выемку талого грунта 6 на участке подземной прокладки трубопровода 1 до глубины залегания кровли 2 многолетнемерзлых грунтов. Затем проводят укладку песчаного слоя 3 мощностью от 100 до 150 мм на кровлю 2 многолетнемерзлых грунтов и укладывают на песчаный слой 3 один или более теплопроводящих элементов 4, выполненных в виде пластин из теплорассеивающего материала с коэффициентом теплопроводности не менее 5 Вт/м?К. В теплопроводящем элементе 4 выполняют отверстия (не показаны) для соединения с испарительными частями термостабилизаторов грунта 7. Край заложения теплопроводящего элемента 4 располагают от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта 7 на расстоянии 0,2-0,3 r, где r - радиус зоны замерзания грунта термостабилизатора. В качестве теплорассеивающего материала используют теплорассеивающий полимерный композит, обладающий коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м?К.
После этого укладывают на теплопроводящий элемент 4 теплоизоляционный материал 5 толщиной 100-200 мм. В завершение проводят засыпку выемки талым грунтом 6 и устанавливают по обе стороны на расстоянии от оси трубопровода подземной прокладки 1 в отверстия в теплопроводящем элементе 4 термостабилизаторы грунтов 7 на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части. Расстояние связано с радиусом r зоны замерзания грунта термостабилизатора соотношением .
В ходе работы термостабилизаторов грунтов 7 в зимний период происходит перенос тепла по теплопроводящему элементу 4, что приводит к более эффективному распределению отрицательных температур по площади, занимаемой теплопроводящим элементом 4, и к более быстрому и равномерному охлаждению грунта под трубопроводом 1 подземной прокладки.
При осуществления заявленного способа термостабилизации многолетнемерзлых грунтов и при использовании заявленного устройства термостабилизации многолетнемерзлых грунтов в зимний период были проведены замеры радиуса зоны замерзания грунта термостабилизатора при наличии теплопроводящего элемента из теплорассеивающего полимерного композита, результаты которых приведены в таблице 1.
Проведенные измерения показали, что уже при температуре окружающего воздуха, равной минус 15°C, радиус зоны замерзания грунта термостабилизатора при наличии теплопроводящего элемента, установленного в соответствии с заявленным способом, увеличивается почти в два раза: 2,65 м при наличии теплопроводящего элемента, против 1-1,5 м при использовании только термостабилизатора.
Таким образом, при использовании заявленной группы изобретений достигается повышение эффективности сохранения многолетнемерзлых грунтов или замораживания слабых грунтов оснований объектов трубопроводной системы для обеспечения безопасности в течение назначенного срока эксплуатации на проектных режимах.
1. Устройство термостабилизации многолетнемерзлых грунтов, характеризующееся тем, что оно содержит по меньшей мере два термостабилизатора грунта на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части, и по меньшей мере один теплопроводящий элемент, выполненный в виде пластины из теплорассеивающего материала с коэффициентом теплопроводности не менее 5 Вт/м?К, причем по меньшей мере два термостабилизатора грунта установлены по обе стороны от трубопровода подземной прокладки, а по меньшей мере один теплопроводящий элемент установлен под теплоизоляционным материалом, отделяющим трубопровод подземной прокладки от кровли многолетнемерзлых грунтов, и имеет отверстия для соединения с испарительными частями по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта.
2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что теплорассеивающий материал представляет собой теплорассеивающий полимерный композит, обладающий коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м?К.
3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что термостабилизаторы грунта установлены от оси трубопровода подземной прокладки на расстоянии , связанном с радиусом r зоны замерзания грунта термостабилизатора следующим соотношением: 0,7 r<= <=r.
4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что край заложения теплопроводящего элемента отстоит от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта на расстоянии 0,2-0,3 r.
5. Способ термостабилизации многолетнемерзлых грунтов, заключающийся в том, что
- проводят выемку талого грунта на участке прокладки трубопровода до глубины залегания кровли многолетнемерзлых грунтов;
- проводят укладку песчаного слоя на кровлю многолетнемерзлых грунтов;
- укладывают на песчаный слой по меньшей мере один теплопроводящий элемент, выполненный в виде пластины из теплорассеивающего материала с коэффициентом теплопроводности не менее 5 Вт/м?К;
- укладывают на по меньшей мере один теплопроводящий элемент теплоизоляционный материал;
- проводят засыпку выемки талым грунтом;
- устанавливают по обе стороны от трубопровода подземной прокладки по меньшей мере два термостабилизатора грунтов на основе двухфазных термосифонов, включающих надземную конденсаторную часть и подземные транспортную и испарительные части;
- причем в теплопроводящем элементе выполняют отверстия для соединения с испарительными частями по меньшей мере двух термостабилизаторов грунта.
6. Способ по п. 5, заключающийся в том, что в качестве теплорассеивающего материала используют теплорассеивающий полимерный композит, обладающий коэффициентом теплопроводности 5-15 Вт/м?К.
7. Способ по п. 5, заключающийся в том, что термостабилизаторы грунта устанавливают от оси трубопровода подземной прокладки на расстоянии , связанном с радиусом r зоны замерзания грунта термостабилизатора следующим соотношением: 0,7 r<= <=r.
8. Способ по п. 5, заключающийся в том, что край заложения теплопроводящего элемента размещают от места его соединения с испарительной частью термостабилизатора грунта на расстоянии 0,2-0,3 r.
Способ снижения деформаций автомобильных и железных дорог на многолетнемерзлых грунтах, оттаивающих в процессе эксплуатации
Изобретение относится к области строительства и эксплуатации автомобильных и железных дорог и может быть использовано для предупреждения их деформаций, возникающих вследствие оттаивания в процессе эксплуатации многолетнемерзлых грунтов, находящихся в основании земляного полотна. Технический результат - повышение эффективности снижения деформаций автомобильных и железных дорог на оттаивающих в процессе эксплуатации многолетнемерзлых грунтах, находящихся в основании земляного полотна. Для реализации способа производят выемку естественного грунта на оптимальную глубину, бурение со дна выемки вертикальных и наклонных скважин до кровли многолетнемерзлых грунтов, погружение в скважины стальных труб, заполненных песком и в верхней части бетоном, отсыпку по всей площади дна выемки буферного слоя из щебня, укладку поверх буферного слоя слоев горизонтальных армирующих элементов в виде георешеток, заполненных щебнем, заполнение выемки крупнообломочным грунтом с последующим устройством дорожной одежды. 1 ил.
Изобретение относится к области строительства и эксплуатации автомобильных и железных дорог и может быть использовано для предупреждения их деформаций, возникающих вследствие оттаивания в процессе эксплуатации многолетнемерзлых грунтов, находящихся в основании земляного полотна.
Известен способ возведения насыпей на слабых грунтах путем изготовления под откосными частями насыпи цилиндрических вертикальных опор из геосетки с каменным заполнением (Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта. - М.: Стройиздат, 1989 - с.20).
Недостатки известного способа:
- отсутствие сплошных горизонтальных армирующих элементов, перераспределяющих вертикальные силовые воздействия от насыпи авто (ж/д) транспорта на вертикальные опоры;
- устройство вертикальных опор только под откосными частями насыпи;
- возможность разрушения цилиндрических вертикальных опор за счет воздействия на них горизонтальных деформаций, вызывающих, соответственно, изгиб и срез опор.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ возведения дорог на болотах, представляющих собой прослойку из геотекстильного материала, горизонтально укладываемую под насыпью, и вертикальных песчаных дрен либо дрен из геотекстильного материала (Рекламный проспект на ВДНХ СССР. Возможности применения геотекстильных материалов в строительстве. - Московская область, г. Балашиха - 6 - 1989. - 16 с.).
Недостатками известного способа являются невозможность его применения в условиях оттаивающих многолетнемерзлых грунтов ввиду недостаточной несущей способности вертикальных песчаных дрен либо дрен из геотекстильного материала, укладка прослойки из геотекстильного материала непосредственно в подошве насыпи, недостаточная прочность прослойки из геотекстиля к воздействию статических и динамических нагрузок.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности снижения деформаций автомобильных и железных дорог на оттаивающих в процессе эксплуатации многолетнемерзлых грунтах, находящихся в основании земляного полотна.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что способ снижения деформаций автомобильных и железных дорог на многолетнемерзлых грунтах, включающий возведение под насыпью цилиндрических вертикальных опор и укладку прослойки из геотекстильного материала, отличается тем, что предварительно, в пределах земляного полотна дороги, осуществляют выемку естественного грунта, со дна выемки производят бурение скважин в шахматном порядке до кровли многолетнемерзлых грунтов, при этом крайние от дорожного полотна скважины, с обеих его сторон, выполняют наклонными, в скважины на всю глубину погружают стальные трубы, заполненные песком и в верхней части бетоном, по всей площади дна выемки производят отсыпку слоя из щебня с укладкой поверх него слоев горизонтальных армирующих элементов в виде георешеток, заполненных щебнем, на глубину не менее 2-2,5 м от низа конструкции дорожной одежды, далее выемку заполняют крупнообломочным грунтом с последующим возведением дорожной одежды, при этом глубину выемки выбирают с учетом положения кровли мгоголетнемерзлых грунтов и глубины погружения стальных труб.
Заявленный способ отличается от прототипа тем, что позволяет:
- исключить деформации сооружения, возникающие в процессе его эксплуатации вследствие деградации многолетнемерзлых грунтов;
- принципиально изменить напряженно-деформированное состояние основания земляного полотна с целью повышения его несущей способности;
- преобразовать параметры физико-механических свойств слабых грунтов основания земляного полотна.
Для реализации способа используют:
- выемку естественного грунта на оптимальную глубину;
- бурение со дна выемки вертикальных и наклонных скважин до кровли многолетнемерзлых грунтов;
- погружение в скважины стальных труб, заполненных песком и в верхней части бетоном;
- по всей площади дна выемки отсыпку буферного слоя из щебня;
- укладку поверх буферного слоя слоев горизонтальных армирующих элементов в виде георешеток, заполненных щебнем (псевдоплита);
- заполнение выемки крупнообломочным грунтом с последующим устройством дорожной одежды.
Исключение деформаций в процессе эксплуатации автомобильных и железных дорог на оттаивающих многолетнемерзлых грунтах можно объяснить следующим образом. Известно, что деформации дорожной одежды вызваны, как правило, снижением несущей способности грунтов оснований земляного полотна в процессе эксплуатации. Это связано с различными физико-геологическими процессами, в т.ч. и оттаиванием многолетнемерзлых грунтов.
В связи с этим проектные решения, базирующиеся на предположении о постоянстве кровли многолетнемерзлых грунтов во времени и пространстве, могут оказаться неэффективными. Например, основание земляного полотна, включающее многолетнемерзлые грунты (ММГ), может получить неравномерные деформации сложного характера в связи с неоднозначным положением кровли ММГ в процессе их оттаивания.
Так, в активной зоне основания земляного полотна возникает сложное напряженно-деформированное состояние, характеризующееся наличием не только вертикальных напряжений, но и горизонтальных с соответствующими перемещениями. В связи с этим имеется необходимость возведения автомобильных и железных дорог, которое бы обеспечивало надежную стабилизацию дорожной одежды в пространстве в любой промежуток времени ее эксплуатации на многолетнемерзлых грунтах.
Физически процесс исключения деформаций автомобильных и железных дорог на оттаивающих в процессе эксплуатации многолетнемерзлых грунтах можно представить следующим образом. В начальный период эксплуатации дорог, когда отметка кровли ММГ соответствует проектной, стальные трубы, погруженные в скважины до кровли ММГ, выполняют роль свай-стоек, передающих нагрузку от насыпи, дорожной одежды и веса транспорта на кровлю ММГ. Передача и распределение нагрузки на сваи-стойки осуществляется с помощью демпфирующего слоя из щебня и слоев горизонтально уложенных георешеток, заполненных щебнем (псевдоплиты).
При дальнейшей эксплуатации дороги вследствие воздействия комплекса природно-техногенных факторов возможна реализация одного из экзогенных процессов - деградация ММГ, сопровождающаяся понижением их кровли. В этом случае нижние концы стальных труб оказываются в слое талого грунта, обладающего низкой несущей способностью. При этом принципиально изменяется расчетная схема работы стальных труб - из свай-стоек они превращаются в вертикальные элементы, работа которых состоит в следующем. Вертикальные элементы через контактную поверхность с грунтом воспринимают упомянутую выше нагрузку своей боковой верхней частью. Такая схема передачи нагрузки вертикальным элементом в грунте обеспечивается его боковым обжатием грунтом за счет давления на грунт между вертикальными элементами от веса дорожной одежды, насыпи, веса транспорта, равномерно перераспределенного слоями георешеток, заполненных щебнем, и демпфирующего слоя из щебня. При этом крайние ряды вертикальных элементов, расположенных с обеих сторон оси дорожной одежды, испытывают значительные горизонтальные деформации, вызывающие изгиб элементов вплоть до их разрушения. В связи с этим крайние элементы выполняют наклонными к оси дорожной одежды, что позволяет изменить расчетную схему работы крайних элементов: они начинают работать преимущественно на сжатие совместно с их изгибом. Такое решение позволяет избежать разрушения крайних элементов, выполненных наклонно, за счет существенного снижения изгибающих моментов и передачи на элементы усилий сжатия, что благоприятно сказывается на работе конструкции элемента.
Следует отметить, что имеется принципиальное отличие работы основания с вертикальными и наклонными элементами от обычного свайного основания. Оно заключается в отсутствии конструктивного объединения верха упомянутых выше элементов ростверком, что предопределяет совершенно иную расчетную схему.
Работу слоев георешеток, заполненных щебнем, и демпфирующего слоя из щебня, укладываемых на дно выемки поверх вертикальных и наклонных элементов, можно объяснить, исходя из следующих соображений:
1. Работая совместно со щебнем, заполняющим пространство между георешетками, конструкция из слоев георешеток (псевдоплита) перераспределяет нагрузку между участками конструкции, обеспечивая передачу напряжений с перегруженных зон на соседние недогруженные, и воспринимает растягивающие напряжения. Таким образом, с учетом демфирующего слоя из щебня, на вертикальные и наклонные элементы, а также на грунт между ними передается относительно равномерная нагрузка с существенным снижением растягивающих усилий. Количество слоев георешеток определяется эффективностью работы конструкции «псевдоплиты» в условиях существующей расчетной ситуации и заданных нагрузок и воздействий.
2. Рассматривая расчетную схему работы вертикального элемента, можно заключить, что эпюра контактных касательных напряжений по его длине имеет двузначный характер: в верхней части имеет знак плюс, т.к. касательные напряжения направлены вниз, а в нижней части - знак минус в связи с противоположным направлением упомянутых напряжений. Это можно объяснить тем, что в верхней части элемент обжат грунтом за счет давления от «псевдоплиты» и демпфирующего слоя, а в нижней части возникают силы трения по его боковой поверхности.
Таким образом, усиление основания земляного полотна вертикальными и наклонными элементами и демпфирующим слоем из щебня с перекрытием их «псевдоплитой» приводит к резкому уменьшению деформаций всех видов и даже их полному исключению как в основании земляного полотна, насыпи, так и в дорожной одежде.
На чертеже показан общий вид земляного полотна и изображены дорожная одежда 1, выемка естественного грунта с заменой его на крупнообломочный 2, демфирующий слой из щебня 3, горизонтальные слои георешеток, заполненные щебнем (псевдоплита) 4, вертикальные и наклонные элементы 5, кровля многолетнемерзлых грунтов 6.
Способ осуществляют в следующей последовательности:
- производят выемку 2 естественного грунта на глубину, учитывающую оптимальное расстояние между низом дорожной одежды 1 и верхом «псевдоплиты» 4;
- выполняют со дна выемки бурение вертикальных и наклонных скважин в шахматном порядке до кровли многолетнемерзлых грунтов 6;
- в скважины погружают стальные трубы с упором в слой многолетнемерзлых грунтов, заполненные песком и в верхней части бетоном, выполняющие роль вертикальных и наклонных элементов 5;
- отсыпают по всей площади дна выемки 2 буферный слой из щебня 3;
- производят укладку поверх буферного слоя 3 слоев георешеток, заполненных щебнем (псевдоплита) 4;
- заполняют выемку крупнообломочным грунтом с последующим устройством дорожной одежды 1.
В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем:
- снижается или исключается сама возможность деформаций автомобильных и железных дорог на многолетнемерзлых грунтах в процессе их эксплуатации;
- обеспечивается высокая надежность эксплуатации дорог в сложных инженерно-геологических условиях;
- исключаются затраты по восстановлению дорожной одежды при воздействии на земляное полотно различных негативных физико-геологических процессов.
Способ снижения деформаций автомобильных и железных дорог на многолетнемерзлых грунтах, включающий возведение под насыпью цилиндрических вертикальных опор и укладку прослойки из геотекстильного материала, отличающийся тем, что предварительно, в пределах земляного полотна дороги, осуществляют выемку естественного грунта, со дна выемки производят бурение скважин в шахматном порядке до кровли многолетнемерзлых грунтов, при этом крайние от дорожного полотна скважины, с обеих его сторон, выполняют наклонными, в скважины на всю глубину погружают стальные трубы, заполненные песком и в верхней части бетоном, по всей площади дна выемки производят отсыпку слоя из щебня с укладкой поверх него слоев горизонтальных армирующих элементов в виде георешеток, заполненных щебнем, на глубину не менее 2-2,5 м от низа конструкции дорожной одежды, далее выемку заполняют крупнообломочным грунтом с последующим возведением дорожной одежды, при этом глубину выемки выбирают с учетом положения кровли мгоголетнемерзлых грунтов и глубины погружения стальных труб.
Читайте также: