ОХЛАЖДАЕМАЯ СВАЙНАЯ ОПОРА ДЛЯ СООРУЖЕНИЙ, ВОЗВОДИМЫХ НА ВЕЧНОМЕРЗЛОМ ГРУНТЕ Российский патент 2010 года по МПК E02D3/115 

Изобретение относится к области строительства, а именно к основаниям и опорам различных сооружений, возводимых в районах Крайнего Севера с вечномерзлым грунтом, более конкретно - к охлаждаемым свайным опорам.

Особенности возведения опор оснований сооружений определяются специфическими климатическими условиями в высокоширотных районах Севера. В зимний период температура воздуха там продолжительное время довольно низкая и достигает часто минус 40°.

Однако снежный покров и низкая теплопроводность грунта не позволяют ему глубоко и сильно промерзнуть. В летнее время года мерзлый грунт оттаивает, и при этом создается угроза деформации оснований и опор сооружений. Поэтому возникает необходимость продления мерзлого состояния грунта в летний период. Это достигается путем дополнительного захолаживания грунта с помощью охлаждающих установок, например, сезонного действия. Эти установки (парожидкостные термосифоны и гравитационные тепловые трубы) в зимнее время дополнительно охлаждают грунт, а летом не работают. С помощью таких устройств удается значительно повысить несущую способность оснований и опор.

Известен ряд конструкций свайных опор строительных сооружений, представляющих собой охлаждаемые металлические или железобетонные сваи.

Так, свайная опора по патенту РФ № 2250302 (опубл. 20.04.2005 [1]) содержит железобетонный или металлический вертикальный трубчатый ствол с горизонтальной опорной площадкой, расположенной над поверхностью грунта, и охлаждающее устройство в виде двух тепловых труб. Последние имеют одинаковые транспортные зоны и зоны испарения, расположенные внутри трубчатого ствола симметрично относительно его оси, и зоны конденсации. При этом зоны испарения обеих тепловых труб соединены своими нижними частями, а зоны конденсации расположены наклонно над поверхностью грунта под горизонтальной опорной площадкой сваи.

Свайная опора по патенту РФ № 2256746 (опубл. 20.07.2005 [2]) содержит вертикальный трубчатый ствол с горизонтальной опорной площадкой, расположенной над поверхностью грунта, и охлаждающее устройство в виде тепловой трубы. Транспортная зона и зона испарения тепловой трубы выполнены внутри вертикального железобетонного трубчатого ствола, а зона конденсации расположена наклонно над поверхностью грунта под горизонтальной опорной площадкой и выполнена в виде симметрично изогнутой трубы. При этом диаметр тепловой трубы в транспортной зоне меньше внутреннего диаметра трубчатого ствола, а зона испарения представляет собой кольцевую полость между наружной поверхностью продолжения транспортной зоны и внутренней поверхностью трубчатого ствола. В нижнем конце транспортной зоны тепловой трубы установлена заглушка, над которой в стенке транспортной зоны выполнены отверстия, а ниже этих отверстий в полости, являющейся зоной испарения, установлен козырек с отверстиями.

Свайная опора по авторскому свидетельству СССР № 630337 (опубл. 30.10.1978 [3]) выполнена в виде частично заглубленного в грунт трубчатого ствола, закрытого с обоих торцов, верхний из которых является опорной площадкой. Указанный трубчатый ствол заправлен хладагентом и функционирует как тепловая труба с зонами испарения, транспортной зоной и зоной конденсации, расположенными вдоль трубчатого ствола по его высоте. В заглубленной части трубчатого ствола с зазором относительно внутренней поверхности его стенки размещена емкость с аккумулирующим холод веществом. В качестве аккумулирующего холод вещества использован глинистый грунт.

Известные охлаждаемые свайные опоры по патентам [1, 2] и авторскому свидетельству [3] объединяет то, что они конструктивно совмещены с охлаждающими устройствами сезонного действия в виде одной или нескольких тепловых труб. Поэтому они обеспечивают охлаждение и замораживание грунта только в ближайшей окрестности наружной поверхности свайной опоры. Это снижает надежность сооружения, возводимого с использованием таких свайных опор, поскольку не может быть гарантировано отсутствие деформации грунта за пределами охлаждающего действия зоны испарения тепловой трубы, совмещенной со свайной опорой. Кроме того, подобные свайные опоры являются активными устройствами - гравитационными тепловыми трубами, работа которых может нарушиться, например, из-за утечки хладагента вследствие разгерметизации. При этом опора по авторскому свидетельству [3], содержащая аккумулятор холода, повышающий эффективность ее функционирования, имеет дополнительный источник ненадежности - возможность нарушения герметичности емкости с аккумулирующим холод веществом в результате расширения его при замерзании, что может привести к неработоспособности тепловой трубы при последующем оттаивании указанного вещества. Вследствие использования в этой опоре в качестве аккумулирующего холод вещества глинистого грунта эффективность охлаждающего действия аккумулятора холода невысока, так как свойства такого вещества лишь незначительно отличаются от свойств грунта, в котором устанавливается свайная опора. Далее, в устройстве, совмещающем в себе функции опоры и тепловой трубы, эффективность действия тепловой трубы снижается из-за того, что толщина стенок трубчатого ствола должна выбираться достаточно большой с учетом того, что ствол является силовым элементом. При уменьшении же этой толщины снижается несущая способность свайной опоры. Наконец, такая конструкция принципиально неприменима, если ствол свайной опоры не трубчатый, а монолитный.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности сооружений, использующих охлаждаемые свайные опоры, в сочетании с повышением эффективности охлаждения и замораживания, а также на обеспечение возможности использования опор с монолитным стволом.

Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение по авторскому свидетельству СССР № 630337 [3].

Предлагаемая свайная опора, как и наиболее близкая к ней известная опора [3], содержит частично заглубленный в грунт металлический или железобетонный ствол, снабженный со стороны верхнего торца опорной площадкой, а также охлаждающее устройство сезонного действия и емкость с аккумулирующим холод веществом.

Для достижения указанного выше технического результата в предлагаемой охлаждаемой свайной опоре в отличие от наиболее близкой к ней известной емкость с аккумулирующим холод веществом выполнена из эластичного материала и размещена вне указанного ствола в выполненной в грунте закрытой сверху вертикальной скважине с прилеганием к ее стенкам, а в качестве аккумулирующего холод вещества использована вода. При этом охлаждающее устройство сезонного действия выполнено в виде размещенных вне указанного ствола одной или нескольких вертикально ориентированных гравитационных тепловых труб с зонами испарения и конденсации и размещенной между ними транспортной зоной, причем зона испарения каждой из этих труб находится ниже, а зона конденсации - выше поверхности грунта.

Благодаря описанному выполнению свайной опоры охлаждение грунта осуществляется гравитационными тепловыми трубами, расположенными вне трубчатого ствола и являющимися специализированными средствами, выполняющими только функцию охлаждения и замораживания грунта. Выбор их конструктивных параметров не ограничен прочностными требованиями, предъявляемыми к стволу. Поэтому они способны обеспечить замораживание большего объема грунта, чем тепловая труба, совмещенная с трубчатым стволом или размещенная внутри него. При этом поддержание грунта в замороженном состоянии и отсутствие его деформации обеспечиваются как тепловой инерционностью самого грунта, так и аккумулятором холода. Использование воды в качестве аккумулирующего холод вещества является наиболее рациональным, поскольку лед имеет весьма высокую удельную теплоту плавления. Благодаря тому что аккумулятор холода представляет собой эластичную емкость, размещенную в вертикальной скважине с прилеганием к ее стенкам, предотвращается нарушение целостности этой емкости при затвердевании находящегося в ней аккумулирующего холод вещества. Кроме того, нарушение герметичности емкости, даже если оно имеет место, не оказывает влияния на работу охлаждающего устройства, расположенного вне трубчатого ствола и вне скважины с емкостью.

Отмеченные факторы в совокупности определяют повышенную надежность функционирования предлагаемой охлаждаемой свайной опоры. В качестве дополнительных факторов, определяющих повышенную надежность сооружений, использующих свайную опору предлагаемой конструкции, можно указать, что при нарушении работы охлаждающего устройства оно в целом или входящие в его состав отдельные тепловые трубы могут быть легко заменены, поскольку они физически не объединены со стволом сваи.

Для повышения эффективности охлаждения грунта и поддержания его в мерзлом состоянии предлагаемая свайная опора может снабжена одной или несколькими дополнительными емкостями с аккумулирующим холод веществом, выполненными из эластичного материала, каждая из которых размещена вне указанного ствола в выполненной в грунте вертикальной скважине, закрытой сверху.

Емкость с аккумулирующим холод веществом может быть заключена в жесткий футляр, что упрощает установку ее внутрь скважины. Наличие жесткого футляра усложняет предлагаемую свайную опору лишь в минимальной степени и не способно повлиять на ее надежность ввиду чрезвычайной простоты конструкции футляра, который может быть выполнен в виде опалубки или металлической либо пластмассовой трубы. Указанная емкость может быть выполнена в виде сосуда с горловиной, имеющей герметично закрывающуюся крышку. Заполнение этой емкости водой может быть произведено как до, так и после установки емкости в скважину.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежом.

Охлаждаемая свайная опора, представленная на чертеже, включает в себя погруженный в грунт 2 металлический или железобетонный ствол 1, закрытый снизу и снабженный в верхней части фланцем 3. Последний является опорной площадкой для установки элементов конструкции возводимого сооружения, например фермы линии электропередачи. Ствол 1 может быть как полым, так и монолитным. По бокам от ствола 1 установлены, по крайней мере, одна гравитационная тепловая труба 4, являющаяся охлаждающим устройством сезонного действия, и выполнена, по крайней мере, одна вертикальная скважина 13, закрытая крышкой 14.

В скважине 13 размещена герметичная эластичная емкость-сосуд 5, заполненный через заправочную горловину 6 водой 7. Горловина 6 герметизируется с помощью крышки 8. Перед установкой емкости 5 в скважину 13 она может быть заключена в жесткий футляр (на чертеже не показан), который может быть выполнен в виде опалубки или металлической либо пластмассовой трубы. Емкость 5 благодаря эластичности ее материала (например, резины или пластмассы) принимает форму внутренней поверхности стенки скважины 13 или согласованную с нею форму футляра и предохраняется от разрыва при замерзании воды 7.

Верхняя часть гравитационной тепловой трубы 4 имеет оребрение 9 и служит воздушным теплообменником и конденсатором для теплоносителя, заправленного в тепловую трубу 4. Нижняя часть тепловой трубы 4 находится в грунте и является зоной испарения 11. Тепло грунта воспринимается испарителем, переносится паром хладагента наверх в зону конденсации 12 через транспортную зону 10 и отдается окружающему воздуху, омывающему оребрение 4.

В случае, когда возводимое сооружение устанавливается на нескольких свайных опорах, одна и та же тепловая труба и одна и та же емкость с аккумулирующим холод веществом, установленные между соседними свайными опорами, могут "обслуживать" обе эти опоры, так что количество тепловых труб и скважин с емкостями с аккумулирующим холод веществом, приходящихся в среднем на одну свайную опору, может оказаться не более одной.

Предлагаемая свайная опора работает и используется следующим образом. В холодный период года тепловая труба 4 перекачивает теплоту грунта в окружающий воздух, грунт 2 и вода 7 в емкости 5 охлаждаются и затвердевают. При этом скрытая теплота затвердевания воды также переносится в воздух. Затем происходит дальнейшее охлаждение грунта и льда в емкости 5 с понижением температуры. В теплое время года тепловая труба 4 сезонного действия не работает. Под действием внешних климатических факторов и теплоподвода от сооружения, в составе которого используется свайная опора, происходит отепление грунта и свайной опоры. Однако таяние льда в емкости 5, сопровождающееся поглощением большого количества поступающей извне теплоты, способствует увеличению продолжительности перехода грунта вокруг свайной опоры в незамороженное состояние. Благодаря этому удлиняется период, в течение которого свайная опора имеет высокую несущую способность.

Источники информации

1. Патент РФ № 2250302, опубл. 20.04.2005.

2. Патент РФ № 2256746, опубл. 20.07.2005.

3. Авторское свидетельство СССР № 630337, опубл. 30.10.1978.

Свайная опора, предназначенная для использования при строительстве сооружений, возводимых в районах с вечномерзлым грунтом, содержит частично заглубленный в грунт 2 металлический или железобетонный ствол 1, снабженный со стороны верхнего торца опорной площадкой 3. Опора содержит также охлаждающее устройство сезонного действия и емкость 5 с аккумулирующим холод веществом 7. Особенностью опоры является выполнение емкости 5 из эластичного материала и размещение ее вне ствола 1 в закрытой сверху крышкой 14 вертикальной скважине 13 с прилеганием к ее стенкам, а также использование воды в качестве аккумулирующего холод вещества. Охлаждающее устройство выполнено в виде размещенных вне трубчатого ствола 1 одной или нескольких вертикально ориентированных гравитационных тепловых труб 4 с зонами испарения 11 и конденсации 9 и размещенной между ними транспортной зоной 10. При этом зона испарения 11 каждой из тепловых труб находится ниже, а зона конденсации - выше поверхности грунта. Обеспечиваются повышение надежности сооружений, использующих опоры описанной конструкции, в сочетании с повышением эффективности охлаждения и замораживания, а также возможность использования опор с монолитным стволом. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Охлаждаемая свайная опора для сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте, содержащая частично заглубленный в грунт металлический или железобетонный ствол, снабженный со стороны верхнего торца опорной площадкой, а также охлаждающее устройство сезонного действия и емкость с аккумулирующим холод веществом, отличающаяся тем, что данная емкость выполнена из эластичного материала и размещена вне указанного ствола в выполненной в грунте закрытой сверху вертикальной скважине с прилеганием к ее стенкам, а аккумулирующим холод веществом в этой емкости является вода, при этом охлаждающее устройство сезонного действия выполнено в виде одной или нескольких размещенных вне указанного трубчатого ствола вертикально ориентированных гравитационных тепловых труб с зонами испарения и конденсации и размещенной между ними транспортной зоной, причем зона испарения каждой из этих тепловых труб находится ниже, а зона конденсации - выше поверхности грунта.

2. Свайная опора по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена одной или несколькими дополнительными емкостями с аккумулирующим холод веществом, выполненными из эластичного материала, каждая из которых размещена вне указанного ствола в выполненной в грунте вертикальной скважине, закрытой сверху.

3. Свайная опора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что емкость с аккумулирующим холод веществом заключена в жесткий футляр.

4. Свайная опора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что емкость с аккумулирующим холод веществом выполнена в виде сосуда с горловиной, имеющей герметично закрывающуюся крышку.

5. Свайная опора по п.4, отличающаяся тем, что емкость с аккумулирующим холод веществом заключена в жесткий футляр.