К вопросу выбора оптимальных систем термостабилизации грунтов при строительстве в криолитозоне

КОЛОСКОВ Г.В. Генеральный директор ООО «НПО “Север”», г. Москва, gkoloskov@nponorth.ru

ИБРАГИМОВ Э.В. Начальник проектного отдела ООО «НПО “Север”», г. Москва, eibragimov@nponorth.ru

ГАМЗАЕВ Р.Г. Ведущий инженер проектного отдела ООО «НПО “Север”», г. Москва, rgamzaev@nponorth.ru

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Многолетнемерзлые грунты; термостабилизация грунтов основания; термостабилизаторы; системы термостабилизации; тепловые насосы; промораживание грунтов.

АННОТАЦИЯ

При строительстве в криолитозоне многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и эксплуатации сооружений. В статье на конкретных практических примерах обсуждаются вопросы выбора оптимальных систем термостабилизации грунтов. В том числе рассматривается использование комбинированной системы температурной стабилизации с применением тепловых насосов.


Возведение зданий и сооружений в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов имеет ряд существенных особенностей, без учета которых в их конструкциях могут возникать недопустимые деформации [2,4].

Для повышения несущей способности оснований и фундаментов при строительстве в криолитозоне целесообразна разработка целого комплекса мероприятий. Эффективным способом поддержания грунта основания в мерзлом состоянии является использование низких температур наружного воздуха с помощью термостабилизаторов (ТС). На сегодняшний день основными и наиболее эффективными в этом отношении являются парожидкостные термостабилизаторы -- двухфазные термосифоны, обладающие очень высокой теплопередающей способностью, изотермичностью по длине, малыми металлоемкостью и весом, удобством в транспортировке и монтаже.

В данной статье авторы на конкретных примерах приводят варианты реализации различных технических решений с использованием парожидкостных термостабилизаторов различной конструкции. Доказано, что применение термостабилизаторов грунта эффективно как для сохранения мерзлых грунтов при новом строительстве, так и для восстановления температурного режима деградированной мерзлоты эксплуатируемых зданий и сооружений.

В зависимости от инженерно-геологических условий, конструкций фундаментов, особенностей работы системы «основание -- сооружение» применяются различные варианты термостабилизаторов грунта. Авторами применяется следующая классификация термостабилизаторов:

- вертикальные термостабилизаторы длиной до 21 м (рис. 1, а);

- вертикальные малогабаритные термостабилизаторы с V-образным конденсатором и длиной испарителя до 12 м (рис. 1, б);

- вертикальные глубинные термостабилизаторы с развитым конденсатором длиной до 60 м (рис. 1, в);

- слабонаклонные термостабилизаторы с диаметром испарительной зоны 38 мм и длиной до 16 м (рис. 1, г);

- системы слабонаклонных термостабилизаторов с диаметром испарительной зоны 76 мм и длиной до 60 м (рис. 1,д).

Для решения локальных задач возможно использование термостабилизаторов с теплоизоляцией в зоне сезонного промерзания/оттаивания, с фиксированной зоной замораживания (при анкерной термостабилизации), а также с круглогодичным действием.

Вертикальные термостабилизаторы наиболее массово используются для понижения температур грунтов оснований до отрицательных значений с целью увеличения несущей способности свайных фундаментов и предупреждения выпучивания свай. Установка таких термостабилизаторов позволяет сформировать мерзлый массив грунта вокруг свай для предотвращения их вертикальных перемещений (рис. 2).

Вертикальные ТС (см. рис. 1, а) были применены, например, на строительных площадках Ванкорского нефтегазового месторождения (север Красноярского края), завода «Ямал СПГ», электростанции собственных нужд (ЭСН) в поселке Сабетта (п-ов Ямал). В последнем случае изначально вообще не была предусмотрена термомостабилизация, поскольку фоновая температура грунтов была ниже минус 3 °С. Размер прямоугольного здания ЭСН с вентилируемым подпольем составлял в плане 170×65 м (плюс дополнительные пристройки и галереи). Использовался фундамент из 2400 металлических свай, заполненных бетоном. И после погружения свай в летний период произошло значительное повышение температур грунтов основания (местами практически до 0 °С) (рис. 3). Моделирование показало, что подобное повышение температуры связано с нарушением температурного режима поверхностного «защитного» слоя грунта, а также, что наиболее существенно, с отепляющим воздействием процесса установки свай (бурением, реакцией гидратации, подогревом растворов и т.д.). Для ускорения восстановления температур грунта до проектных отрицательных значений было использовано 1210 термостабилизаторов (по результатам теплотехнических расчетов, восстановление температур грунтов основания рассматриваемой ЭСН с термостабилизаторами должно быть достигнуто за 1 год, без них -- за 3 года).

Рис. 1. Термостабилизаторы: а -- вертикальный длиной до 21 м; б -- вертикальный малогабаритный с V-образным конденсатором и длиной испарителя до 12 м; в -- вертикальный глубинный с развитым конденсатором длиной до 60 м; г -- слабонаклонный с диаметром испарительной зоны 38 мм и длиной до 16 м; слабонаклонный с диаметром испарительной зоны 76 мм и длиной до 60 м

Рис. 2. Пример температурной стабилизации грунта основания вокруг свай с помощью вертикальных термостабилизаторов. Условные обозначения: 1 -- свая; 2 -- вертикальный термостабилизатор; 3 -- льдогрунтовый цилиндр (мерзлый массив)

Рис. 3. Результаты измерения температуры грунта основания (t) по глубине (z) до (01.03.2014 г.) и после (15.07.2015 г.) свайных работ при строительстве электростанции собственных нужд в поселке Сабетта (п-ов Ямал)

При наличии низкого подполья (высотой менее 1 м) применяются термостабилизаторы с V-образным конденсатором (см. рис. 1, б). Задача их применения заключается в поддержании отрицательной температуры грунта вокруг свай по всей длине последних в течение всего срока эксплуатации. Такие устройства были использованы, например, при строительстве гражданских объектов г. Якутска.

Применяемые конструкции глубинных термостабилизаторов (см. рис. 1, в) позволяют стабилизировать грунты плотин, устьев скважин и других сооружений глубиной до 60 м с целью обеспечения их эксплуатационной надежности.

При возведении зданий и сооружений, в том числе резервуаров, с полами по грунту в условиях многолетней мерзлоты целесообразно применять горизонтальные (слабонаклонные) системы термостабилизации грунтов. Такая система состоит из отдельных термостабилизаторов, длина и количество (шаг) которых подбираются в зависимости от габаритов здания или сооружения на основании лабораторного определения и расчетов показателей теплофизических свойств грунтов. Их укладка осуществляется в открытом котловане с уклоном испарительной части и выводом конденсаторной части на открытую площадку. При небольших габаритах зданий и сооружений применяются слабонаклонные термостабилизаторы с диаметром испарителя 38 мм и длиной до 21 м (рис. 4). Для их установки в проектное положение используются поддерживающие конструкции.

Рис. 4. Схема системы горизонтальных термостабилизаторов грунта с диаметром испарителя 38 мм. Условные обозначения: 1 -- конденсатор; 2 -- транспортный участок; 3 -- испаритель; 4 -- поддерживающая конструкция

Такая система горизонтальной термостабилизации была применена, например, при реконструкции зданий гаража и склада в вахтовом поселке на острове Варандей в августе 2015 г. В свое время в проектах не были предусмотрены меры по поддержанию мерзлого состояния грунтов оснований этих объектов. В итоге при их эксплуатации началось растепление мерзлых грунтов и, как следствие, образование чаш оттаивания [1]. В результате появились существенные деформации полов (рис. 5). В августе 2015 г. специалисты ООО «НПО “Север”» совместно с ДОАО «Спецгазавтотранс» провели на этих объектах комплекс ремонтно-восстановительных работ. В основания были заложены системы слабонаклонных термостабилизаторов грунта. Моделирование показало, что грунты основания при использовании такой охлаждающей системы в комбинации с перекрывающим ее теплоизоляционным экраном толщиной 200 мм будут находиться в мерзлом состоянии на протяжении всего периода эксплуатации.

Для габаритных зданий и сооружений применяется система горизонтальных термостабилизаторов с диаметром испарителя 76 мм и длиной до 60 м (рис. 6). Каждый ТС состоит из трех основных частей:

· испарителя (трубы, служащей для отвода тепла от грунта посредством циркуляции хладагента и укладываемой непосредственно под сооружением с наклоном по отношению к горизонтальной плоскости);

· транспортного участка (трубы, служащей для транспортирования хладагента от конденсатора к испарителю и обратно и укладываемой горизонтально);

· конденсатора (конструкции из труб и дисков, служащей для охлаждения хладагента и устанавливаемой вертикально на достаточной высоте над землей для свободного обдува воздухом).

Использование анкерной конструкции термостабилизатора позволяет исключить потери мощности на транспортном участке, что повышает эффективность установки.

Рис. 5. Деформации пола складского помещения в поселке Варандей в результате оттаивания грунтов основания

Рис. 6. Схема системы горизонтальных термостабилизаторов грунта с диаметром испарителя 76 мм. Условные обозначения: 1 -- конденсатор; 2 -- транспортный участок; 3 -- испаритель; 4 -- площадка обслуживания

Конденсаторы термостабилизаторов выводятся на так называемую площадку обслуживания -- металлическую конструкцию, служащую для контроля и обеспечения работы системы, а также для механической поддержки конденсаторов. Такая площадка позволяет минимизировать площадь, занимаемую надземными конструкциями ТС, и дает возможность беспрепятственного подъезда к сооружению.

Следует отметить, что все глубинные и горизонтальные термостабилизаторы с диаметром испарительной зоны 76 мм и длиной до 60 м имеют многосекционные теплообменники (конденсаторы). Конденсаторы заправляются хладагентом в заводских условиях, что значительно сокращает время монтажа ТС на строительной площадке и ввода их в эксплуатацию.

Рассмотренная система термостабилизации грунта имеет ряд преимуществ. Так, даже при выходе из строя одного из ТС вся система продолжает функционировать и способна создать льдогрунтовую плиту под сооружением для обеспечения необходимой несущей способности фундамента.

Такая система горизонтальной термостабилизации грунтов была заложена, например, в рабочей документации для строительства вертолетного ангара в аэропорту «Сабетта» на полуострове Ямал. Моделирование теплового режима основания (с учетом того, что в нем были вскрыты пласты чистого льда) показало, что без мероприятий по термостабилизации уже на 5-й год эксплуатации глубина чаши оттаивания достигнет 7---8 м, что вызовет критические деформации полов. Поэтому было предложено использование системы охлаждения и теплоизоляционного экрана.

Рис. 7. Расчетное распределение изотерм под площадкой строительства вертолетного ангара в аэропорту «Сабетта» на полуострове Ямал на конец 30-го теплого периода при толщине теплоизоляции 200 мм. Вертикальная ось -- глубина, м; горизонтальная ось -- расстояние, м; цветовая шкала – температура, °C

Специалистами ООО «НПО “Север“» была предложена новая конструкция испарителя с внутренним капиллярно-пористым покрытием, обеспечивающим более интенсивное охлаждение грунта за счет увеличения площади охлаждения испарительной части ТС. Это позволяет увеличить эффективность работы термостабилизатора на 20---30% (по сравнению с обычной гладкой трубой) [3].

Термостабилизаторы грунта позволяют сократить сроки возведения зданий и сооружений на несливающейся и высокотемпературной («вялой») мерзлоте и строить в таких условиях объекты без вентилируемого подполья.

Несмотря на вышеописанные достоинства, сезонно-действующие саморегулируемые установки обладают и недостатками: при наличии постоянно действующего источника растепления они не всегда способны поддерживать требуемую отрицательную температуру грунта на протяжении всего года. Поэтому в условиях возможного глобального потепления климата термостабилизаторы не смогут обеспечить долговечный проектный температурный режим основания и, соответственно, устойчивость сооружения [4, 8].

Наибольший эффект с точки зрения обеспечения эксплуатационной надежности могут дать регулируемые системы оснований и фундаментов, которые позволяют на всех этапах строительства и эксплуатации управлять температурным режимом и, соответственно, напряженно-деформированным состоянием грунтовых оснований и устойчивостью конструктивных элементов фундаментов.

Для обеспечения возможности функционирования парожидкостного термостабилизатора грунта в теплое время года в транспортный участок устанавливают дополнительный теплоотводящий (охлаждающий) элемент. Это позволяет обеспечить работу ТС при положительных температурах атмосферного воздуха за счет циркуляции промежуточного хладагента, охлаждаемого дополнительной холодильной машиной. Таким образом можно обеспечить непрерывный (круглогодичный) режим работы термостабилизаторов. Например, система горизонтальных термостабилизаторов грунта в комбинации с холодильным агрегатом использовалась при создании фундаментов вертикальных стальных резервуаров (РВС) Варандейского морского ледостойкого отгрузочного причала (терминала) [1].

Основной проблемой, препятствующей широкому использованию комбинаций термостабилизаторов грунта и стандартных морозильных агрегатов в строительстве, является их высокая стоимость. Одним из путей устранения этого недостатка может явиться использование теплонасосной техники вместо обычных холодильных установок. Тепловой насос (ТН) термодинамически аналогичен холодильной машине. Основной целью работы последней является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителя, при этом конденсатор «сбрасывает» теплоту в окружающую среду. В тепловом же насосе картина обратная: конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель -- теплообменным аппаратом, утилизирующим теплоту.

Использовать ТН при строительстве в криолитозоне для одновременного охлаждения грунта основания и снабжения теплом внутренних помещений построенного на нем здания, по-видимому, впервые было предложено в работе [9], опубликованной в 1975 году. В 80-х годах прошлого столетия попытки реализовать данное предложение были предприняты в Норвегии и Канаде. В России применять тепловые насосы при возведении объектов в зоне многолетней мерзлоты одними из первых предложили авторы работ [5] и [6].

Однако классическая схема теплового насоса имеет серьезные недостаток, т.к. в качестве грунтового теплообменника, как правило, используются полиэтиленовые трубы, заполненные антифризом (гликолевым раствором). В случае утечки антифриза в грунт произойдет растепление, устранение которого будет крайне затруднительным. Кроме того, для прокачки антифриза по трубам используется насосное оборудование, что повышает энергопотребление системы. Для ее надежной эксплуатации придется использовать плитный фундамент с теплообменным контуром поверх него.

Для устранения вышеописанных недостатков в ООО «НПО “Север”» была разработана комбинированная система термостабилизации грунта с использованием теплового насоса с грунтовым парожидкостным теплообменником [2] . В качестве последнего используются тепловые трубы (испарители термостабилизаторов грунта). В верхней части этих труб устанавливаются теплоотводящие элементы, которые являются испарителями компрессора (рис. 8).

При использовании гравитационных тепловых труб отпадает необходимость применения насосного оборудования, что как минимум на 10% снижает энергопотребление. В качестве хладагентов используются фреоны, аммиак или двуокись углерода, которые никак не повлияют на оттаивание грунтового основания в случае утечки. Объем заправляемого хладагента на порядок ниже объема антифриза в жидкостном грунтовом теплообменнике. А использование современных технических решений позволяет конструировать различные комбинации из вертикальных и горизонтальных (слабонаклонных) тепловых труб (рис. 9).

Рис. 8. Схема теплового насоса с грунтовым парожидкостным теплообменником. Условные обозначения: 1 -- подающая линия системы отопления; 2 -- отводящая линия системы отопления; L – длина испарителя.

Рис. 9. Пример использования теплового насоса с грунтовым парожидкостным теплообменником: 1 -- парожидкостный грунтовый контур; 2 -- куст теплообменников; 3 -- тепловой насос

Тепловые насосы с грунтовым парожидкостным теплообменником заложены, например, в основу технического решения для проектирования типового малоэтажного дома по программе переселения в г. Воркуту жителей из близлежащих поселков. По этой программе планируется возведение 40 типовых малоэтажных домов с фундаментами мелкого заложения. Применение фундамента такого типа совместно с системой круглогодичной термостабилизации основания значительно ускорит сроки строительства. При этом стоимость нулевого цикла не превысит цену классического решения с использованием свайного фундамента с вентилируемым подпольем.

На основе рассмотренного в статье можно сделать следующее заключение. Системы термостабилизации грунтов при строительстве в криолитозоне позволяют поддерживать нужную отрицательную температуру оснований или восстанавливать деградированную мерзлоту. В связи с возможностью глобального потепления климата очень удачным представляется предложение использовать теплонасосное охлаждение оснований. С его помощью можно предотвратить социально-экономический ущерб от потери устойчивости сооружений, возведенных на многолетнемерзлых грунтах, и при этом не только полностью компенсировать расходы на приобретение теплонасосного оборудования, но и заметно снизить стоимость затрат на снабжение теплом внутренних помещений жилых и хозяйственных зданий. Для высотных сооружений данная технология позволит использовать подземное пространство для создания паркингов или технических этажей.

Список литературы

1. Гвоздик В.И., Андреев М.А., Абросимов А.И., Миронов И.А. Устройство оснований и фундаментов крупных нефтяных резервуаров в условиях Крайнего Севера // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007. № 6. С.24-28.

2. Ибрагимов Э.В., Гамзаев Р.Г. Системы термостабилизации грунта для зданий и сооружений с проектным решением полов по грунту // Журнал нефтегазового строительства. 2014. № 1. C. 40---45.

3. Ибрагимов Э.В., Кроник Я.А., Куплинова Е.В. Экспериментальные исследования инновационных конструкций пологонаклонных термостабилизаторов грунта // Вестник ТГАСУ. 2014. № 4. С. 208-220.

4. Кроник Я.А. Динамика аварийности и безопасности природно-техногенных систем в криолитозоне // Материалы 4-й Конференции геокриологов России. Том 3. Часть 8. М.: Университетская книга, 2011. C. 285---292.

5. Перльштейн Г.З., Гулый С.А., Буйских А.А. О перспективах применения тепловых насосов для решения инженерных задач в зоне вечной мерзлоты // Вечная мерзлота и экономическое развитие, безопасность окружающей среды, потенциал природных ресурсов. Новосибирск, 1998. С. 18---21.

6. Перльштейн Г.З., Гулый С.А., Буйских А.А. Повышение несущей способности мерзлых грунтов с помощью тепловых насосов // Основания и фундаменты. 2000. № 3. С. 26---31.

7. СП 25.13330.2012 (актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88). Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М.: Минрегион России, 2012.

8. Хрусталев Л.Н. Проблемы инженерной геокриологии на рубеже ХХI века // Криосфера Земли. 2000. Т. 4. № 1. С. 3---10.

9. Stenbeak-Nielson H.C., Sweet L.R. Heating with ground heat: an energy saving method for home heating // The Northern. 1975. V. 7. № 1. P. 20---25.



[1] По данным технического отчета по инженерно-геологическим изысканиям и инженерно-геотехническим исследованиям ДОАО «Спецгазавтотранс» 2015 г.

[2] На эту систему готовится выдача патента РФ по заявке № 2014150935 от 16.12.2014 г. 2015 г.