СПОСОБ ЗАМОРОЗКИ И ПОДДЕРЖАНИЯ СТАБИЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ Российский патент 2024 года по МПК E02D3/115 

Предлагаемое изобретение относится к строительству на многолетнемерзлых грунтах, и может быть использовано для экстренного повышения прочностных и деформационных характеристик и поддержания в стабильном состоянии многолетнемерзлых грунтов основания земляного полотна железных и автомобильных дорог, гражданских и промышленных зданий и сооружений при строительстве, эксплуатации и реконструкции.

Экстренное повышение прочностных и деформационных свойств требуется, как правило, однократно, когда деградация многолетнемерзлых грунтов сопровождается активными процессами расползания насыпи, обрушениями откосов, сверхнормативными осадками сооружений и др. Быстрая (экстренная) заморозка позволит:

- получить относительно быстрый эффект от термостабилизации;

- исключить многолетние деформации морозного пучения при термостабилизации глинистых водонасыщенных грунтов;

- исключить образование сильнольдистых грунтов в основании при термостабилизации глинистых водонасыщенных грунтов.

Известен способ принудительного понижения температуры вечномерзлого грунта в основаниях свайных фундаментов опор эксплуатируемого моста, заключающийся в закачке и откачке жидкого хладагента из сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ) при наступлении теплого времени года. При этом обеспечивается циркуляция холодного воздуха в СОУ с использованием воздушной турбохолодильной машины, а с наступлением холодного времени года жидкий хладагент подвергается обратной закачке в СОУ (см. патент РФ №2731343, МПК E02D 3/115, опубл. 26.02.2020. Бюл. №25).

Недостатками известного способа является:

- необходимость проведения процедуры откачки и закачки жидкого хладагента при изменении теплового режима;

- зависимость от надежного источника электропитания для турбохолодильной машины;

- трудоемкий монтаж используемых устройств и необходимость демонтажа системы принудительного охлаждения.

Известен способ аккумуляции холода в грунте, включающий активное и пассивное замораживание грунта путем циркуляции хладагента в как минимум одной двухтрубной коаксиальной колонке, заглубленной в грунт, с осуществлением при активном замораживании принудительной циркуляции, а при пассивном замораживании - естественной циркуляции хладагента, при этом перед началом процесса замораживания замкнутый контур вакуумируют и заполняют хладагентом, причем при активном замораживании в теплое время года хладагент нагнетают внутрь центральной трубы колонки через съемную нагнетательную двухтрубную насадку на колонку, охлаждают хладагент путем дросселирования, при активном замораживании в холодное время года хладагент нагнетают через съемную нагнетательную двухтрубную насадку внутрь центральной трубы колонки, при пассивном замораживании в холодное время года используют съемную двухтрубную насадку с внешним и внутренним оребрением, обеспечивают естественную циркуляцию хладагента по замкнутому контуру - по центральной трубе колонки вниз, по объему между центральной трубой и корпусом колонки наверх, а далее вверх по центральной трубе насадки, затем между центральной трубой и корпусом насадки вниз в центральную трубу колонки (см. патент РФ №2650005, МПК E02D 3/115, опубл. 06.04.2018. Бюл. №10).

Недостатками известного способа является:

- необходимость смены съемных насадок, при изменении режима замораживания грунта несколько раз в год;

- сложность и трудоемкость реализации способа;

- применение энергозависимой системы нагнетания хладагента.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упрощение технологии замораживания грунта в основании сооружения и дальнейшее поддержание стабильного состояния мерзлых грунтов, что повышает их несущую способность, предотвращает развитие деформаций без ограничения эксплуатационной способности сооружения и использования дополнительного энергозависимого оборудования, необходимости присутствия высококвалифицированных работников для его монтажа, работы и обслуживания.

Техническая задача решена за счет того, что в способе заморозки и поддержания стабильного состояния многолетнемерзлых грунтов, включающем активное и пассивное замораживание в как минимум одной двухтрубной коаксиальной колонке, заглубленной в грунт, при этом перед началом процесса замораживания замкнутый контур заполняют хладагентом, при активном замораживании хладагент с низкой температурой кипения под давлением подают во внешний контур коаксиальной трубы, образованный между стенками внешней и внутренней труб до отметки соответствующей минимальному уровню хладагента, установленной теплотехническим расчетом, испаряющийся при этом газ выпускают в окружающую среду, обеспечивая быструю (экстренную) заморозку путем отвода тепла из системы «колонка-грунт», при достижении необходимой отрицательной температуры грунта подачу жидкого хладагента и выпуск испаряющегося газа прекращают, при пассивном замораживании в холодное время года хладагент подается под давлением до заранее определенной отметки, соответствующей необходимому объему хладагента для эффективного теплообмена, установленного теплотехническим расчетом, при этом хладагентом заполняются контуры внешний и внутренний, сообщающиеся через открытый конец внутренней трубы, а естественную циркуляцию хладагента обеспечивают по замкнутому контуру, по внутреннему контуру коаксиальной колонки вниз, по внешнему контуру коаксиальной колонки наверх, и далее вверх через, выполненные в наземной части центральной трубы перфорированные отверстия, вниз по внутреннему контуру коаксиальной колонки.

Для этапа пассивного замораживания наземная часть трубы может быть оборудована конденсатором в виде внешнего оребрения, которое обеспечивает атмосферное охлаждение хладагента. В качестве хладагента используют жидкий азот. Подземную часть колонки выполняют со шнековой навивкой, для обеспечения повышенного теплообмена.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически показан принцип реализации способа быстрой заморозки и поддержания стабильного состояния многолетнемерзлых грунтов согласно этапу активного быстрого замораживания; на фиг. 2 схематически показан принцип реализации способа поддержания стабильного состояния мерзлого грунта согласно этапу пассивного замораживания посредством естественной циркуляции хладогента в холодный период года; на фиг. 3 представлен общий вид колонки с местным разрезом, погружаемого способом завинчивания.

Позициями на чертежах обозначено:

1. Внешний контур коаксиальной трубы;

2. Внутренний контур коаксиальной трубы;

3. Впускной клапан;

4. Емкость с хладагентом;

5. Выпускной клапан;

6. Открытый конец внутреннего контура;

7. Перфорированные отверстия;

8. Конденсатор;

9. Отметка минимального уровня хладагента;

10. Мерзлый грунт;

11. Отметка уровня хладагента;

12. Шнековая навивка.

Комплекс для реализации способа состоит из инъектора со шнековой навивкой, выполненного в виде колонки из коаксиально установленных труб 1, 2, при этом труба 1 имеет впускной клапан 3, подсоединенный к емкости с хладагентом 4 и выпускной клапан 5. Внутренняя труба 2 сообщается с трубой 1 через ее открытый конец 6 и перфорированные отверстия 7, выполненные в верхней надземной части трубы, снабженной с внешней стороны конденсатором 8.

Реализация предлагаемого способа осуществляется в два этапа, различающихся по типу замораживания, а именно активного и пассивного, при этом этап активного быстрого (экстренного) замораживания может осуществляться круглогодично, а пассивного - в холодное время года. При этом пассивное замораживание может быть реализовано только при условии достаточной разницы температур атмосферного воздуха и грунта, для обеспечения естественной циркуляции хладагента. Для активного быстрого (экстренного) замораживания, хладагент с низкой температурой кипения, например, жидкий азот, являющийся экологически безопасным, находящийся под давлением подается из емкости с хладагентом 4 через впускной клапан 3 во внешний контур коаксиальной трубы 1, представляющий собой объем между стенками внешней и внутренней труб, до отметки минимального уровня хладагента, соответствующей необходимому объему для эффективного теплообмена, установленному теплотехническим расчетом, при этом в системе «колонка-грунт» происходит интенсивный теплообмен, вследствие чего грунт, окружающий тело колонки снижает свою температуру, а жидкий азот, равномерно распределенный по высоте у внутренней поверхности внешней стенки, испаряется за счет теплоподвода к внешней стенке от окружающего ее грунта, образующийся газ поднимается вверх, и выходит через открытый выпускной клапан 5 в атмосферу, обеспечивая при этом отвод тепла из грунта и его быструю заморозку.

При испарении жидкого хладагента его объем уменьшается, что влечет за собой снижение интенсивности теплообмена в системе «колонка-грунт» до его полного прекращения. В связи с этим во время реализации этапа активного замораживания следует обеспечить степень заполнения колонки до отметки минимального уровня хладагента 9, не допуская его существенного снижения вследствие испарения жидкого хладагента. Отметка минимального уровня хладагента устанавливается в зависимости от грунтовых условий и глубины погружения колонки. После достижения необходимой отрицательной температуры грунта 10 выпускной клапан 5 закрывается, подача жидкого хладагента во внешний контур 1 прекращается. Этап активного быстрого (экстренного) замораживания осуществляется однократно, позволяя получить эффект от термостабилизации грунта.

Этап пассивного замораживания в холодное время года и поддержания отрицательной температуры мерзлого грунта, реализуемый после быстрой (экстренной) заморозки, осуществляется путем естественной циркуляции хладагента за счет разности температур грунта и атмосферного воздуха. Из емкости 4, хладагент с низкой температурой кипения, находящийся под давлением подается через впускной клапан 3 во внешний контур колонки 1, при этом хладагентом заполняются контуры внешний 1 и внутренний 2, представляющий собой объем внутренней (центральной) трубы, до заранее определенной отметки 11, соответствующей необходимому объему хладагента для эффективного теплообмена, установленного теплотехническим расчетом, которые сообщаются через открытый конец 6 и перфорированные отверстия 7, после чего впускной клапан 3 закрывается. Поддержание замороженного состояния (фиг. 2) зоны грунта 10 реализуется за счет теплообмена посредством циркуляции естественным способом жидкого хладагента с низкой температурой кипения в холодный период года и остановки теплообмена в теплый период года. Жидкий азот, находящийся в нижней части коаксиальной трубы, осуществляя теплообмен в системе «колонка-грунт», предотвращает растепление мерзлого грунта. Вследствие фазового перехода в газообразное состояние, хладагент, испарившийся в нижней части колонки, поднимается по внешнему контуру 1 и попадает во внутренний контур 2 через перфорированные отверстия 7, расположенные в уровне верхней части внешнего контура колонки, при этом количество и диаметр отверстий подбираются в зависимости от интенсивности протекания процесса теплообмена и объема помещенного хладагента в тело колонки. Попадая в надземную часть колонки, оснащенную конденсатором 8 (условный контур см. на фиг. 2), газообразный азот охлаждается и, конденсируясь на стенках внутреннего контура 2, опускается в подземную часть коаксиальной колонки. Охлажденный хладагент поступает во внешний контур 1 через открытый конец 6 внутреннего контура 2, соединяясь с объемом азота, находящимся в жидкой фазе, после чего в ходе теплообмена в системе «колонка-грунт» нагревается и испаряется. Образующаяся парожидкостная смесь движется вверх, повторяя парорефрижераторный цикл.

Эффективность воздушного конденсатора 8 может быть увеличена навивкой металлических листов, дополнительными патрубками и прочими известными устройствами. Кроме того, колонка, погружаемая способом завинчивания, также может иметь повышенный полезный эффект за счет применения шнековой навивки 12 на подземной части, теплообмен через которую будет выше за счет увеличенной площади соприкосновения охлаждающего устройства с грунтом (фиг. 3).

Допускается установка оборудования под наклоном к горизонту. При маленьких углах наклона следует изгибать внутреннюю часть коаксиальной трубы до вертикального положения.

Пример.

Для реализации способа был выбран участок Байкало-Амурской магистрали с распространением глинистых многолетнемерзлых грунтов, где происходит их деградация. Работы проводились в холодное время при среднесуточной температуре воздуха - 18°С. За границами очертания габарита приближения строения в земляное полотно методом завинчивания были погружены инъекторы без прекращения движения на перегоне, выполненные в виде коаксиальных колонок, до границы оттаявшей грунтовой толщи на глубину 4 м. Корпус инъектора был изготовлен из трубы с наружным диаметром 46 мм с толщиной стенки 3 мм, при этом наружный диаметр внутренней трубы составил 36 мм, а толщина стенки 2 мм. Общая длина инъектора составила 5,5 м, при этом длина подземной части 4 м, длина надземной части 1,5 м. На верхнюю часть инъектора был установлен конденсатор в виде навивки из металлических листов длиной 0,5 м. Нижняя грань конденсатора располагалась выше уровня абсолютной максимальной высоты снежного покрова, составляющей 44 см. При этом инъекторы располагались на расстоянии 1 м друг от друга. С предварительно установленной между инъекторами термометрической скважины были получены данные о температуре грунта, которая составила +2,1°С до начала заморозки.

В режиме активного замораживания способ реализовывался в следующем порядке. К погруженным инъекторам подсоединялись баллоны с жидким азотом с рабочим давлением 14,7 МПа. После приведения в открытое положение впускного и выпускного клапанов начиналась подача хладагента в тело инъектора. При этом контроль подачи хладагента выполнялся по расходомерам, присоединенным к баллону. Постепенно заполняя тело инъектора, жидкий азот, имея низкую температуру кипения, начал испаряться и выходить в виде газа через выпускной клапан. За счет интенсивного теплообмена в системе «колонка-грунт» в зоне, окружающей тело инъектора, началось снижение температуры. После фиксации данных, полученных с термометрической скважины, о достижении фунтом отрицательной температуры - 2-3°С, выпускной клапан был закрыт. При этом было установлено, что для промораживания 1 м³ глинистого грунта с естественной влажностью до 0,3 д.е. потребовалось 0,9 м³ жидкого азота, средняя скорость промораживания составила 12 см/сут.

Для поддержания мерзлого состояния грунта (пассивный режим) каждый инъектор был заполнен до установленной отметки жидким азотом, после чего впускные клапаны были закрыты. Уровень заполнения хладагентом устанавливался согласно теплотехническому расчету и на данном объекте этот объем составил 4,85 л для одного инъектора. Жидкий азот, находящийся в нижней части коаксиальной трубы, предотвращает растепление мерзлого грунта осуществляя теплообмен в системе «колонка-грунт». Вследствие фазового перехода в газообразное состояние хладагент поднимается в верхнюю часть инъектора и охлаждается в конденсаторе до температуры наружного воздуха, значительно более низкой, чем температура грунта. После чего охлажденный жидкий азот опускается вниз, повторяя парорефрижераторный цикл.

В течении периода наблюдений за показаниями в термометрической скважине повышения температуры мерзлого грунта и уменьшения зоны мерзлого грунта не зафиксировано.

Предлагаемое решение позволяет обеспечивать достижение заявляемого технического результата без использования дополнительного энергозависимого оборудования при однократной быстрой (экстренной) заморозке с меньшей трудоемкостью монтажа используемых устройств. Также заявленное техническое решение реализуется без ограничения эксплуатационной способности сооружения, а дальнейшая реализация способа не требует смены режима работы охлаждающего устройства. Подача компримированного хладагента исключает необходимость использования дополнительного оборудования для его нагнетания в тело коаксиальной колонки. Кроме того, осуществление активного этапа замораживания с выпуском газообразного хладагента в атмосферу позволяет ускорить отвод тепла, что способствует сокращению времени, требующегося для промораживания грунта. Помимо этого, использование данного способа позволяет сократить себестоимость производства работ за счет погружения в грунт инъектора, выполненного в виде колонки из коаксиально установленных труб, без предварительного бурения скважины.

Изобретение относится к строительству на многолетнемерзлых грунтах, и может быть использовано для экстренного повышения прочностных и деформационных характеристик и поддержание в стабильном состоянии многолетнемерзлых грунтов основания земляного полотна железных и автомобильных дорог, гражданских и промышленных зданий и сооружений при строительстве, эксплуатации и реконструкции. Техническим результатом является обеспечение однократной быстрой заморозки грунта без использования дополнительного энергозависимого оборудования и дальнейшее поддержание мерзлого состояния грунта. Технический результат достигается тем, что способ заморозки и поддержания стабильного состояния многолетнемерзлых грунтов включает активное и пассивное замораживание в как минимум одной двухтрубной коаксиальной колонке, заглубленной в грунт, при этом перед началом процесса замораживания замкнутый контур заполняют хладагентом, при этом осуществляется в два этапа, а именно, активного и пассивного этапов замораживания, при этом этап пассивного замораживания следует после активного этапа замораживания, при этом при активном замораживании хладагент с низкой температурой кипения под давлением подают во внешний контур коаксиальной колонки, образованный между стенками внешней и внутренней труб до отметки соответствующей минимальному уровню хладагента, установленной теплотехническим расчетом, испаряющийся при этом газ выпускают в окружающую среду, обеспечивая быструю заморозку путем отвода тепла из системы колонка-грунт, при достижении необходимой отрицательной температуры грунта подачу жидкого хладагента и выпуск испаряющегося газа прекращают, при пассивном замораживании в холодное время года хладагент подается под давлением до заранее определенной отметки, соответствующей необходимому объему хладагента для эффективного теплообмена, установленного теплотехническим расчетом, при этом хладагентом заполняется контуры внешний и внутренний, сообщающиеся через открытый конец внутренней трубы, а естественную циркуляцию хладагента обеспечивают по замкнутому контуру, по внутреннему контуру коаксиальной колонки вниз, по внешнему контору коаксиальной колонки наверх, и далее вверх через, выполненные в наземной части центральной трубы перфорированные отверстия, вниз по контуру коаксиальной колонки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ заморозки и поддержания стабильного состояния многолетнемерзлых грунтов, включающий активное и пассивное замораживание в как минимум одной двухтрубной коаксиальной колонке, заглубленной в грунт, при этом перед началом процесса замораживания замкнутый контур заполняют хладагентом, отличающийся тем, что осуществляется в два этапа, а именно, активного и пассивного этапов замораживания, при этом этап пассивного замораживания следует после активного этапа замораживания, при этом при активном замораживании хладагент с низкой температурой кипения под давлением подают во внешний контур коаксиальной колонки, образованный между стенками внешней и внутренней труб до отметки соответствующей минимальному уровню хладагента, установленной теплотехническим расчетом, испаряющийся при этом газ выпускают в окружающую среду, обеспечивая быструю заморозку путем отвода тепла из системы колонка-грунт, при достижении необходимой отрицательной температуры грунта подачу жидкого хладагента и выпуск испаряющегося газа прекращают, при пассивном замораживании в холодное время года хладагент подается под давлением до заранее определенной отметки, соответствующей необходимому объему хладагента для эффективного теплообмена, установленного теплотехническим расчетом, при этом хладагентом заполняется контуры внешний и внутренний, сообщающиеся через открытый конец внутренней трубы, а естественную циркуляцию хладагента обеспечивают по замкнутому контуру, по внутреннему контуру коаксиальной колонки вниз, по внешнему контору коаксиальной колонки наверх, и далее вверх через, выполненные в наземной части центральной трубы перфорированные отверстия, вниз по контуру коаксиальной колонки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве хладагента используют жидкий азот.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что неземную часть трубы выполняют с внешним оребрением.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что колонку выполняют в виде инъектора со шнековой навивкой.