Термостабилизация грунтов

Многолетнемерзлые грунты (ММГ) занимают около 65% территории России и 25% суши Земли, и являются основанием для большого количества городов и инфраструктуры. Для ММГ характерна высокая несущая способность в мерзлом состоянии, когда частицы грунта сцементированы льдом и имеют криогенные структурные связи. При оттаивании или повышении температуры несущая способность ММГ может снизиться и привести к деформациям сооружений, просадке грунта основания, потере несущей способности фундаментных конструкций. Именно поэтому на протяжении всего жизненного цикла сооружения необходимо сохранить грунты в проектном температурном состоянии, для чего применяются мероприятия по термостабилизации грунтов, состав и полнота которых определяется исходя из анализа геокриологических и климатических условий, учета конструктивных и объемно-планировочных решений, а также режима эксплуатации сооружений и подтверждается с помощью прогнозных теплотехнических расчетов.

Наиболее подходящим инструментом для проведения прогнозных расчетов является программный комплекс , который позволяет достигать высокой точности полученных результатов при небольших временных затратах на постановку задачи и проведение расчета, а также имеет инструменты решения не только тепловой, но и фильтрационной задачи.

промышленные здания (нефтегазовый комплекс, добыча полезных ископаемых);
жилые и общественные здания;
добывающие скважины;
линейные сооружения (трубопроводы, линии электропередачи);
объекты транспорта (мосты, дороги, взлетно-посадочные полосы);
мерзлые плотины и дамбы;
шахтные стволы и горные выработки, лéдники;
противофильтрационные завесы.

ММГ в качестве оснований используются по двум принципам согласно СП 25.13330.2020:

Грунты основания используются в мерзлом состоянии, которое сохраняется как в процессе строительства, так и в течение всего периода эксплуатации сооружения. Также в рамках I принципа допускается промораживание грунтов в периоды строительства и эксплуатации.

Грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии, т.е. с предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением оттаивания в период эксплуатации.

Термостабилизатор представляет собой герметичную трубу, которая заправлена хладагентом, например, углекислотой или аммиаком. Труба термостабилизатора состоит из двух основных секций: одна размещается подземно и называется испарителем, вторая – конденсатор, располагается надземно. Циркуляция хладагента внутри трубы позволяет охлаждать грунт, реализуя принцип работы термосифона. СОУ включается в работу, когда температура окружающего воздуха опускается ниже температуры грунта, где залегает испарительная часть термостабилизатора. При этом в конденсаторной части СОУ происходит снижение давления и хладагент начинает конденсироваться на внутренние стенки устройства. В испарительной части хладагент начинает вскипать и испаряться, при этом перенося тепло из грунта в окружающую среду, тем самым понижая его температуру. Важной особенностью термостабилизаторов является то, что они естественно действующие, то есть не нуждаются во внешних источниках энергии.

Типоразмерный ряд каждого производителя СОУ индивидуален. Ориентировочно, геометрические параметры длины такие: для верхней конденсаторной части – до 4 м, для нижней испарительной части – до 25 м (до 100 м – в случае с глубинными термостабилизаторами гидротехнических сооружений). Существуют также малогабаритные термостабилизаторы с уменьшенной длиной конденсаторной части, предназначенные для установки в стесненных условиях, например, в подпольях зданий.

Вертикальные термостабилизаторы грунта являются наиболее распространенными ввиду простоты монтажа и наиболее высокой эффективности работы.

Вертикальные термостабилизаторы в основании антенно-мачтового сооружения

Наклонные термостабилизаторы грунта имеют угол отгиба порядка 50–85° относительно горизонтали, что позволяет охлаждать или замораживать грунт на небольшом удалении от конденсаторной части СОУ (как правило, до 2 м). Также может использоваться и для других сооружений, например, насыпей автомобильных и железных дорог, опорах мостов и др. Отгиб конденсаторной части термостабилизаторов в вертикальное положение производится в условиях строительной площадки.

Наклонные термостабилизаторы под основанием резервуара с нефтью

Анкерные термостабилизаторы грунта имеют подземный горизонтальный транзитный участок, позволяющий установить конденсатор на расстоянии 10 и более метров от испарителя. Применяются для зданий с полами по грунту, заглубленных сооружений, площадок с технологическим оборудованием и т.д. Отметим, что испаритель анкерных термостабилизаторов может устанавливаться как вертикально, так и под углом.

Анкерные термостабилизаторы грунта

Пологонаклонные (слабонаклонные) термостабилизаторы имеют угол наклона в 2–5° к поверхности земли. Чаще всего данный вид термостабилизаторов используется для зданий с полами по грунту. Также пологонаклонные СОУ применяются для стабилизации основания линейных сооружений, например, железных дорог.

Пологонаклонные термостабилизаторы в основании железной дороги

Системы термостабилизации грунта, в которых конденсаторный блок соединяется с контуром охлаждающих труб, укладываемых как горизонтально, так и с вертикальными/наклонными испарительными трубками. Подобные системы применяются в случаях, когда установка отдельностоящих СОУ невозможна, например, в зданиях с полами по грунту с шириной более 18 м). К системам термостабилизации грунта возможно подключение компрессорных холодильных машин для охлаждения или проморозки грунтов в любое время года.

Горизонтальная система термостабилизации в основании резервуара

Применение теплоизоляционных экранов в основании зданий и сооружений (здания с полами по грунту, подземные емкости) позволяет снизить отепляющее воздействие на ММГ. В настоящее время наиболее распространены теплоизоляционные экраны из экструдированного пенополистирола (ЭППС), который является более эффективным теплоизолятором, чем пенопласт, однако эти материалы имеют разные сферы применения. Параметры (размеры, толщина) теплоизоляционных экранов подбираются на основе анализа результатов прогнозных теплотехнических расчетов.

Теплоизоляция подземных трубопроводов и заглубленных в грунт сооружений также является эффективным инструментом, препятствующим оттаиванию грунтов основания. Основной материал подобной теплоизоляции – ЭППС, но также применяется пенополиуретан (ППУ) и минеральная вата. Выбор типа теплоизоляции зависит от типа сооружения и условий его эксплуатации, а толщина теплоизоляции определяется расчетом. В большинстве случаев применение теплоизоляции только замедляет процесс оттаивания ММГ.

Вентилируемое подполье позволяет минимизировать тепловое воздействие сооружений на грунты основания. Эффективность охлаждения ММГ за счет подполья зависит от геометрических размеров сооружения, высоты подполья, наличия коммуникаций в подполье, плотности застройки, скорости ветра в пределах проектируемого объекта и других факторов.

Применение термоопор мостов позволяет понижать температуру ММГ в зимний период за счет конвекции воздуха в полости опоры. В зависимости от конструкции термоопоры, температуры грунта в естественных условиях, уровня снегоотложений и скорости ветра в пределах моста изменяется охлаждающая способность термоопор.

Применение вентилируемых каналов и вентилируемых фундаментов в конструкциях фундаментов также способствует сохранению мерзлого состояния грунтов основания. Охлаждение или замораживание грунта происходит в зимний период за счет движения холодного воздуха в каналах или трубах. В летний период необходимо закрывать вентиляционные каналы для предотвращения движения теплого воздуха. В ряде случаев вентилируемые фундаменты обустраиваются с побудительной вентиляцией. Вентилируемые фундаменты применяются для зданий шириной до 20 м.

Охлаждающая каменная наброска применяется в железнодорожном строительстве. Как правило, ее устраивают из скального грунта неправильной формы фракцией более 20 см на откосах насыпи или выемки, на поверхности пазух между канавами и насыпью, на поверхности бортов выемки. Охлаждение грунта происходит в зимний период за счет движения воздуха между скальным грунтом. Эффективность охлаждающей каменной наброски зависит от множества факторов – фракции скального грунта, толщины скальной наброски, наличия снегового покрова на ее поверхности, выполнения мероприятий по водоотводу и т.д.

Для поддержания отрицательной температуры грунтов и обеспечения устойчивости зданий и сооружений на ММГ зачастую применяется комбинирование различных мероприятий по термостабилизации. При использовании грунтов по II принципу СП 25.13330.2020 требуется проведение прогнозных теплотехнических расчётов на весь период строительства и эксплуатации сооружения. Также возможно моделирования мероприятий по предпостроечному оттаиванию грунтов (парооттаивание, элетрооттаивание и т.д.).

О компании

Связаться с нами

Информация