Статья 'Формирование температуры грунтов оснований при использовании сезонно-охлаждающих устройств (СОУ) в условиях криолитозоны центральной Якутии' - журнал 'Арктика и Антарктика' - NotaBene.ru
по
Journal Menu
> Issues > Rubrics > About journal > Authors > About the Journal > Requirements for publication > Peer-review process > Article retraction > Ethics > Online First Pre-Publication > Copyright & Licensing Policy > Digital archiving policy > Open Access Policy > Open access publishing costs > Article Identification Policy > Plagiarism check policy > Editorial Board > Council of Editors
Journals in science databases
About the Journal
MAIN PAGE > Back to contents
Arctic and Antarctica
Reference:

Formation of the temperature of foundation soils during usage of thermal stabilizers in the conditions of the cryolithozone of the central Yakutia

Efimov Vasilii Moiseevich

Deputy Director, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

677000, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1, office #101

bmr2008@list.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Popenko Fedor Eliseevich

PhD in Geology and Mineralogy

Director, the department of Scientific Implementing Center “Geotechnology”

677000, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Vilyuiskii Trakt 5, 1/1

geotechnologia@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Rozhin Igor' Ivanovich

Doctor of Technical Science

Leading Scientific Associate, Institute of Oil and Gas Problems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

677980, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1

i_rozhin@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Stepanov Anatolii Viktorovich

Doctor of Technical Science

Chief Scientific Associate, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

677980, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1

a.v.stepanov@iptpn.ysn.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Bol'shev Konstantin Nikolaevich

PhD in Technical Science

Senior Scientific Associate, Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

677000, Russia, the Sakha Republic (Yakutiya), Yakutsk, Oktyabrskaya Street 1

k.bolshev@mail.ru

DOI:

10.7256/2453-8922.2017.4.25037

Review date:

19-12-2017


Publish date:

10-01-2018


Abstract: The subject of this research is the interaction of the seasonal thermal stabilizers with the soils, processes of thermal and mass transfer and formation of cryotextures. The thermal stabilizers found broad implementation in northern construction for strengthening foundations of buildings formed with plastic and thawed dispersed soils with installation of Anti-filtration screens and ice walls. The efficiency of the work of thermal stabilizers is assessed based on the rate of formation of the calculated temperature schedule in foundations of engineering structures. The presented data of formation of temperatures of the soil foundations cooled by the liquid-vapor thermal stabilizers reflect regularities characteristic for dispersed soils of all types with various indexes of moisture and salinization for buildings with ventilated crawl spaces.  


Keywords: thermostabilization, permafrost, northern construction, heat and mass transfer, soils, cryolithozone, season-cooling devices, temperature sensor, thermoset, piling foundation
This article written in Russian. You can find full text of article in Russian here .

Введение

Сезоннодействующие охлаждающие установки (СОУ) нашли широкое применение в северном строительстве при усилении фундаментов зданий и их оснований, сложенных пластичномерзлыми и талыми дисперсными грунтами; при устройстве противофильтрационных экранов и мерзлотных завес.

Статья посвящена формированию температурного поля в грунтах оснований при использовании сезонно-охлаждающих устройств.

Рис. 1. Сезоннодействующие охлаждающие устройства на объекте «Спортивный комплекс «Триумф» в г. Якутске»

Описание метода исследования

Принято считать, что эффективность работы сезоннодействующих охлаждающих установок оценивается по скорости формирования расчетного температурного режима в основаниях инженерных сооружений.

Лабораторными опытами подтверждено, что формирование сложных слоисто-сетчатых криотекстур происходит со скоростью 0,3 - 0,5 см/сут, массивных со скоростью > 0,5 см/сут [1]. В реальных условиях скорость промерзания варьирует от 0,5 см/сут в нижней части разреза до 4 см/сут в верхней части разреза (см. монографию [2, стр. 192, табл. 4.6]), что объясняется наложением двух фронтов охлаждения: естественного от дневной поверхности и обусловленного работой СОУ. Они имеют следующие характеристики: диаметр подземного испарителя 76 мм, диаметр V-образного конденсаторного блока с вертикальным ребрением 89 мм, теплоноситель – хладон 22. На различных расстояниях от СОУ в скважины установлены полипропиленовые трубы внутренним диаметром 40 мм заглушенные в нижней части. В полипропиленовую трубу установлен шлейф-регистратор (термокоса) изготовленный фирмой ООО НТЛ «ЭлИн» длиной 11,25 м. Вдоль шлейф-регистратора на расстоянии друг от друга 1,25 м установлены термологгеры iBDL, представляющие собой полностью защищенный энергонезависимый одноканальный электронный самописец в корпусе типа MicroCan F-5 толщиной 5,89 мм и диаметром 17,35 мм. Внутри корпуса содержится датчик температуры, элемент питания, память, часы/календарь реального времени. Интерфейсный разъем в верхней части термокосы позволяет опросить в любое время все логгеры.

Фиксируемый в реальных условиях неравномерный темп охлаждения грунтов в радиальном направлении от охлаждающего термосифона можно объяснить формированием слоев с различным типом криотекстур, различающихся содержанием объемного льда и, следовательно, нестабильностью теплофизических характеристик.

Известно, что при увеличении льдистости скорость промерзания снижается и наоборот, при уменьшении суммарной льдистости скорость промерзания возрастает вследствие различий параметров теплопроводности льда и минерального скелета.

Результаты экспериментов

Вследствие неоднородности гранулометрического и фракционного состава грунтов, их теплофизических свойств продвижение фронта промерзания при действии охлаждающей установки происходит с различной скоростью. В результате формируются вертикально ориентированные льдопородные грунты сложной конфигурации, радиусы которых на различных глубинах не всегда соответствуют расчетным (проектным) значениям.

Высокая пространственная изменчивость состава и влажности аллювиальных грунтов [3], предопределяет неравномерный характер их принудительного промораживания охлаждающими термосифонами любого типа, следствием чего является формирование пространственно неоднородных температурных полей, определяющих несущую способность оснований. Формирование установившегося температурного режима в основаниях зданий происходит только при полном завершении процессов кристаллизации свободной и слабосвязанной поровой влаги, характерных для твердомерзлого состояния грунтов.

В монографии [2] методами численного моделирования показано, что применение в качестве теплорегулирующего покрытия конвективных ячеек Бенара, предложенных В.И.Макаровым [4], способствует затуханию нестационарных тепловых возмущений в теплое и холодное время года и сокращению глубины сезонного оттаивания грунтов, что позволяет повысить несущую способность свайного фундамента за счет включения в работу грунтов сезонноталого слоя. Скорость промерзания талых грунтов в естественных условиях (по схеме «сверху- вниз») и при их глубинном промораживании охлаждающими термосифонами (в радиальном направлении) в общем случае носит не монотонный (равномерно поступательный), а скачкообразный характер с характерными ускорениями или замедлением перемещения границы промерзания, вплоть до полной её остановки.

На скачкообразное перемещение границы промерзания указывал проф. П.А.Шумский [5], который отметил, что процесс промерзания тонкодисперсного грунта представляет собой чередование остановок границы промерзания на уровнях установления теплового равновесия и быстрого перемещения этой границы на тех участках массива, где лед включений не образуется.

На примере термотрубки №7 объекта «Спортивный комплекс «Триумф» в г. Якутске» показано, что зависание температуры принудительно охлаждаемого обводненного пылеватого и мелкозернистого песчаного грунта на фазовых переходах в интервале глубин 4,5-8 м, может достигать 3- 5 месяце в зависимости от степени обводненности грунта (табл. 3). Описание инженерно-геологического разреза приведено ниже.

0,0- 1,0м – насыпной грунт (супесь, песок, галька, щебень)

1,0 – 4,0 – супесь с примесью органических веществ

4,0 – 6,5 – песок пылеватый талый, водонасыщенный, слабозасоленный, с примесью растительных остатков

6,5 – 9,2 – песок мелкий талый, водонасыщенный

9,2 – 11,0 – песок мелкий твердомерзлый, массивной криотекстуры

Необходимые для теплотехнических расчетов данные приведены в табл.1.

Таблица 1

Теплофизические свойства грунтов основания

Грунт, интервал

Wс,,

ρск,

λт

λм,

Ст

См

насыпной

0,25

1,50

1,90

2,10

785

525

супесь

0,40

1,25

1,65

1,85

740

505

песок пылеватый

0,34

1,32

1,65

1,85

800

560

песок мелкий тал.

0,34

1,32

1,65

1,85

800

560

песок мелки мрзл.

0,35

1,38

1,65

1,80

800

560

Размерность приведенных физико-механических характеристик: Wс - в дол.ед; ρск - в г/см3; λт,м- в ккал/м*ч*0С; Ст,м- в ккал/м3*0С.

Средневзвешенные значения расчетных характеристик: Wс= 0,33; ρск=1,35; λт=1,70; λм= 1,89; Ст=785; См=542;

Таблица 2

Динамика температур основания объекта «Триумф»

Дата

замеров

4,5

5

6

7

8

9

10

21.10.10

-0,2

-0,2

-0,2

-0,2

-0,1

-0,3

-0,5

23,11.10

-0,3

-0,2

-0,2

-0,2

-0,2

-0,3

-0,5

21,12.10

-0,2

-0,2

-0,2

-0,2

-0,1

-0,4

-0,8

20.01.11

-0,3

-0,2

-0,2

-0,2

-0,1

-0,9

-1,4

01.02.11

-0,4

-0,1

-0,2

-0,2

-0,2

-1,2

-1,5

11.02.11

-0,5

-0,2

-0,2

-0,2

-0,3

-1,2

-1,6

02.03.11

-1,8

-0,2

-0,1

-0,2

-0,5

-1,4

-1,8

11.03.11

-2,3

-0,4

-0,2

-0,2

-0,5

-1,3

-1,7

24.03.11

-3,0

-0,9

-0,2

-0,2

-0,6

-1,3

-1,8

10.05.11

-3,0

-1,9

-0,3

-0,4

-0,6

-1,1

-1,4

23.11.11

-1,0

-0,9

-0,6

-0,7

-0,7

-1,0

-1,2

29.12.11

-1,8

--1,6

-1,2

-1,5

-1,7

-2,0

-2,0

01.02.12

-3,7

-3,3

-2,0

-2,0

-2,7

-2,9

-2,8

05.04.12

-6,8

-6,0

-4,4

-3,5

-3,4

-3,4

-3,1

05,06.12

-4,6

-4,3

-3,5

-3,1

-2,7

-2,7

-2,6

05.09.12

-2,2

-2,3

-2.»

-2,0

-2,0

-2,1

-2,2

30.10.12

-1,7

-1,8

-1,8

-1,9

-1,9

-1,9

-1,9

Приведенные в табл.2 данные указывают на возможность формирования достаточно низких температур практически в течение одного зимнего сезона. Сезонные возмущения температурного поля, формирующегося в основании здания, построенного по первому принципу с проветриваемыми подпольями, прослеживаются до 10 и более метров. Причем изменение температуры на глубине 10 м в нашем случае составляет 1,20С. Охлаждение высокотемпературного слабозасоленного пластичномерзлого грунта в интервале глубин 9-10 м начинается через два месяца после включения в работу охлаждающей установки.

Длительное зависание температуры охлаждаемого грунта на точке фазового перехода отмечается в водонасыщенных песчаных грунтах и в грунтах с высокой концентрацией поровых растворов.

Механизм перемещения влаги в дисперсных грунтах зависит от величины их влажности и степени заполнения пор водой (в оттаявших и талых грунтах), содержания незамерзшей воды и льдистости (в пластичномерзлых грунтах).

В зависимости от мест расположения СОУ, состава и влажности вмещающих грунтов на контакте с боковой поверхностью свай могут формироваться массивные, сетчато-слоистые, ячеистые криотекструры или «ледяные» рубашки вокруг свай, что требует специального изучения.

Восстановление естественных температур грунта вокруг кустов буронабивных свай, изготовленных с противоморозными добавками без применения систем принудительного охлаждения, как показывают результаты натурных наблюдений, продолжается более двух лет.

Данные замеров температур на глубине 10м (t0) и средние значения температуры грунта в интервале глубин 3-10м (t3-10) при различных удалениях СОУ от буронабивных свай, установленных с противоморозными добавками, выполненных на объекте «Жилой комплекс «Прометей» в 11 квартале г. Якутска, приведены в табл. 3.

Из таблицы видно, что максимальный радиус растепления грунтов вечномерзлой толщи (интервал глубин 3-10 м) достигает 1,7 м от боковой поверхности ближайшей сваи (свая 147). Средняя температура грунта на глубине 10 м варьируется в пределах от +0,1 до -0,50С, а по интервалу глубин 3-7 м от +0,3 до -0,20С, т.е. вокруг свай при их установке кустовым способом формируется практически равномерное по глубине и простиранию высокотемпературное поле оттаявших вечномерзлых грунтов.

Таблица 3

Значения температуры грунтов в зависимости от расстояния до сваи

Номер сваи

Дата установки сваи

Расстояние от сваи до термотрубки, мм

Дата замера температуры грунта

t0

t3-10

126

31.07.2012

100

29.05.2013

-0,1

-0,1

147

16.08.2012

1700

29.05.2013

-0,1

-0,1

48

31.09.2012

550

30.05.2013

+0,1

-0,1

102

10.08.2012

120

30.05.2013

0,0

-0,,1

242

22.10.2012

70

5.06.2013

-0,3

-0,1

166

29.04.2013

960

5.06.2013

-0,1

0,0

146

22.01.2013

1000

7.06 2013

0,0

-0,1

97

22.09.2012

100

7.06 2013

-0,2

0,0

97

22.09.2012

1100

9.06.2013

-0,5

-0,2

89

22.09.2012

1080

13.06.2013

-0,5

-0,1

97

22.09.2013

100

15.06.2013

-0,2

0,0

238

31.01.2013

100

20.06.2013

+0,3

+0,3

216

26.04.2013

1200

21.06.2013

0,0

-0,1

62

25.02.2013

900

13.06.2013

-0,1

-0,1

21

28.04.2013

130

29.06 2013

+0,1

0,0

При принудительном охлаждении локального (замкнутого) водонасыщенного талика происходит постепенное его промерзание, сопровождающееся ростом внутриобъемного давления, значительно превышающего структурную прочность мерзлого грунта и силы смерзания мерзлых грунтов с боковой поверхностью свай. Следствием этого является выпучивание слабонагруженных свай, сопровождающееся разрушением ростверков и разрывами сплошности залегающего над таликом мерзлого грунта и бетонной отмостки. С ростом внутриобъемного давления температура кристаллизации поровой влаги соответствующим образом понижается и может выйти за технологические возможности охлаждения грунтов установками парожидкостного типа. В этом случае перенапряженный объем остаточного талика может сохраняться неопределенно долго, из чего вытекает вывод о необходимости предпостроечного водопонижения в водонасыщенных грунтах надмерзлотных таликов, образующих системы закрытого типа.

Следует отметить, что формирующиеся в результате принудительного охлаждения температурные поля не являются стационарными, их пространственно- временная изменчивость обусловлена сезонными изменениями температуры воздуха в проветриваемом подполье и условиями теплообмена на дневной поверхности под зданием, а также теплофизическими свойствами грунтов оснований.

Динамика сезонных изменений температуры грунтов, промороженных установками парожидкостного типа, в интервале глубин 1-9 м приведена в табл. 4 (термотрубка 7-3, объект: «Спорткомплекс «Триумф»).

Таблица 4

Изменение температуры грунтов, промороженных установками парожидкостного типа

Дата

1

2

3

4

5

6

7

8

9

11.02.11

-14,1

-6,3

-2,6

-1,2

-1,3

-1,4

-1,5

-1,5

-1,6

11.03.11

-13,2

-9,9

-6,8

-4,5

-3,0

-2,2

-2,1

-2,0

-1,9

10,05.11

-3,6

-5,1

-5,5

-5,2

-4,6

-3,9

-3,3

-2,9

-2,5

12.07.11

-0,4

-1.9

-2,6

-2,9

-3,0

-3,0

-2,7

-2,5

-2,2

20.09.11

+0,6

-1,0

-1,5

-1,8

-2,0

-2,2

-2,1

-2,1

-2,0

24.11.11

-0,5

-0,6

-1,2

-1,5

-1,7

-1,9

-2,0

-2,0

-2,0

02.02.12

-12,1

-8,4

-5,9

-4,5

-3,9

-3,8

-3,8

-3,7

-3,5

10.05.12

-5,8

-7,1

-7,3

-6,9

-6,3

-5,7

-5,0

-4,5

-3,8

6,98.12

+1,0

-1,3

-1,5

-2,0

-2,4

-2,5

-2,6

-3,2

-3,1

30.10.12

-0,2

-0,9

-1,6

-2,0

-2,3

-2,6

-2,6

-2,7

-2,7

Как видно из таблицы сезонное оттаивание грунтов основания под зданиями с проветриваемыми подпольями составляет один метр, а растепление грунтов вечномерзлой толщи за теплый период года наблюдается до девяти метров и более.

Выводы

Понижение температуры в основании объектов с висячими сваями до расчетных значений, обеспечивающих достаточную несущую способность фундаментов, может быть получено только методами принудительного охлаждения (промораживания).

Отдельной задачей является разработка метода прогноза восстановления естественных температур грунтов в основаниях свайных ростверков и зданий в целом, оттаявших в процессе гидратации бетона буронабивных свай, изготовленных с противоморозными добавками или без добавок, и их охлаждения до требуемых значений.

Приведенные табличные данные формирования температур грунтовых оснований, охлаждаемых сезоннодействующими установками парожидкостного типа, отражают закономерности, характерные для дисперсных грунтов любого вида, при различных значениях влажности и засоленности для зданий с проветриваемыми подпольями.

Формирующиеся в результате принудительного охлаждения температурные поля не являются стационарными. Их пространственно-временная изменчивость обусловлена сезонными изменениями температуры воздуха в проветриваемом подполье, условиями теплообмена на дневной поверхности под зданием, теплофизическими свойствами грунтов оснований, режимом работы охлаждающих установок и, в значительной степени, климатическими факторами.



References
1.
Zhestkova T.N. Formirovanie kriogennogo stroeniya gruntov. – M.: Nauka, 1982. – 216 s.
2.
Stepanov A.V., Popenko F.E., Rozhin I.I. Osnovy inzhenernoi zashchity ob''ektov stroitel'stva v kriolitozone. – Novosibirsk: Nauka, 2014. – 448 s.
3.
Popenko F.E. Osnovy metodiki izucheniya sostava i svoistv allyuvial'nykh otlozhenii pri ispol'zovanii ikh v kachestve osnovanii sooruzhenii: avtoref. diss. kand. nauk. – Yakutsk, 1991. – 21 s.
4.
Makarov V.I. Termosifony v severnom stroitel'stve. – Novosibirsk: Nauka, 1985. – 169 s.
5.
Shumskii P.A. O narastanii kristallov l'da na tverdoe osnovanie. // sbornik posvyashchennyi 90-letiyu akademika V.A. Obrucheva. – M.: Izd-vo AN SSSR, 1955. – s. 51-59.
Link to this article

You can simply select and copy link from below text field.


Other our sites:
Official Website of NOTA BENE / Aurora Group s.r.o.
"History Illustrated" Website