СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА И УСТРОЙСТВА СВАЙ В ЗОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИОННЫХ МУФТ Российский патент 2024 года по МПК E02D3/115 

Изобретение относится к области строительства на вечномерзлых грунтах с сохранением вечномерзлого состояния грунтов оснований, используется при сооружении металлических свайных фундаментов зданий и сооружений.

Известен способ по устройству свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах с предварительным охлаждением основания (Руководство по устройству свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах с предварительным охлаждением основания, Москва: Госстрой СССР Москва Строиздат, 1979 г.).

Для предварительного охлаждения грунтов (п 1.4а) используется глубинное охлаждение грунтов через полые сваи (п 1.4в). Глубинное охлаждение грунтов рекомендуется производить в основном в зимнее время года, используя для этого наружный морозный воздух (от минус 10 до минус 40).

Для охлаждения грунтов оснований в летнее время может быть применена турбохолодильная установка, низкотемпературное замораживание грунта с использованием жидкого азота или применение веществ, обладающих свойством сублимации - твердых криоагентов. Способ замораживания с применением твердой углекислоты (сухого льда) наиболее применим по критериям простоты эксплуатации замораживающей станции, компактности, высоких темпах замораживания, относительно невысокую стоимость, незначительные энергозатраты, отсутствие потребности в воде (Б.В. Шуплик М.Н. Борисенко, «Современные способы замораживания грунтов с применением твердых криоагентов», Горный информационно-аналитический бюллетень, №1, pp. 227-232, 2014).

Процесс охлаждения грунтов оснований складывается из трех стадий (п 2.1): на первой стадии грунт охлаждается до низкой температуры, зависящей от хладоносителя; на второй стадии грунт домораживается до слияния отдельных охлаждаемых зон между собою; на третьей стадии температуры постепенно выравниваются до расчетных значений и формируется температурное поле, соответствующее стационарному состоянию теплообмена. Охлаждение грунтов оснований производится исходя из условий обеспечения под зданием на границе сезонно оттаивающего слоя среднегодовой температуры не выше удвоенного значения температуры твердомерзлого состояния (п 2.2). Теплотехническим расчетом определяются (п. 2.3): размеры локальных охлажденных зон, обеспечивающих получение расчетных температур в зоне смерзания свай; время, необходимое для охлаждения грунтов; время выравнивания температур до расчетного значения, характеризующего окончание фазовых переходов в данном грунте; распределение температур под зданием и у его края в предельно стационарном состоянии; расходы теплоносителей и охлаждающих веществ.

Наличие группы свай в кусте позволяет быстро сомкнуть (п. 2.13) отдельные охлаждаемые зоны в общий массив значительного размера. После отключения охлаждения повышение температур в нем, ввиду его больших размеров, происходит медленно. Процесс замедляется еще тем, что по мере повышения температур в общем массиве у охлажденных зон, происходит увеличение его размеров до максимальных за счет дополнительного промерзания окружающего пластично-мерзлого грунта.

Данный способ не позволяет определить степень необходимого резервирования охлаждения грунтов, для обеспечения рабочего состояния конструкции на весь жизненный цикл эксплуатации сооружения, в том числе с учетом работы сезонно-охлаждающих устройств (сокращенно СОУ), применения теплоизоляционного экрана.

Известен способ установки термостабилизаторов в проветриваемом подполье эксплуатируемых зданий, который включает установку в скважине термостабилизатора, содержащего заправленную хладагентом трубу испарителя и конденсатор, причем труба выполнена из материала с возможностью изгиба, радиус которого не превышает высоту проветриваемого подполья (Патент RU 2627793). Глубина установки термостабилизатора при этом такова, что конденсатор расположен выше уровня грунта в проветриваемом подполье.

Недостатками данного способа является отсутствие возможности ремонтопригодности заглубленной части термостабилизатора под эксплуатируемым зданием. Установка отдельно стоящих термостабилизаторов требует проведения дополнительных расходов на буровые работы. В период жизненного цикла сооружения нет возможности дополнительно корректировать температуру грунтов. Ограниченный срок эксплуатации сезонно-охлаждающих устройств.

Известен способ установки сезонного охлаждающего устройства внутри полой металлической сваи. Сезонно охлаждающее устройство, выполненное в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения (Патент RU 2575383). Указанная стальная труба размещена в полости трубчатой формы тела вращения с плотным примыканием ее частей, относящихся к зонам испарения и конденсации, к внутренней стенке трубчатой формы тела вращения по всей высоте металлической сваи.

Недостатками данного способа является отсутствие возможности ремонтопригодности заглубленной части термостабилизатора под эксплуатируемым зданием, ограниченный срок эксплуатации сезонно-охлаждающих устройств.

Прототипом заявленного изобретения является способ строительства фундаментов из металлических свай, при котором в условиях вечной мерзлоты многолетнемерзлые грунты основания используются в мерзлом или промораживаемом состоянии (ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ СНИП 2.02.04-88, Свод правил 25.13330.2012 от 29 декабря 2011 г. №25.13330.2012).

При использовании многолетнемерзлых грунтов (сокращенно ММГ) в качестве оснований, для сохранения мерзлого состояния грунтов оснований и обеспечения их расчетного теплового режима предусматривается: устройство вентилируемых подполий (п 6.3.2), применение вентилируемых фундаментов (п 6.3.3), установка сезоннодействующих охлаждающих устройств жидкостного или парожидкостного типов - СОУ (п 6.3.4), а также устройство теплозащитных экранов и других мероприятий по устранению или уменьшению теплового воздействия сооружения на мерзлые грунты основания. Выбор одного или сочетания нескольких мероприятий производится на основании расчетов: прогнозного (на период строительства и эксплуатации) теплотехнического, устойчивости и несущей способности с учетом конструктивных и технологических особенностей сооружения, опыта местного строительства и экономической целесообразности. Для сокращения сроков строительства и повышения расчетных нагрузок на фундаменты предусматривается предварительное (до возведения сооружения) охлаждение высокотемпературных и пластично-мерзлых грунтов (путем очистки поверхности от снега, с помощью СОУ и т.д.), при последующем поддержании расчетного температурного режима грунтов - за счет постоянно действующих охлаждающих устройств. На участках, где слой сезонного промерзания-оттаивания не сливается с многолетнемерзлым грунтом, предусматриваются меры по стабилизации или поднятию верхней поверхности многолетнемерзлого грунта до расчетного уровня путем предварительного охлаждения и промораживания грунтов основания. Вентилируемые трубы или каналы, а также вентилируемые фундаменты (п 6.3.3), устраиваются с естественной или побудительной вентиляцией и применяются для сохранения мерзлого состояния грунтов в основании сооружений с полами по грунту, при устройстве свайных фундаментов, малозаглубленных или поверхностных фундаментов на подсыпках, а также мобильных зданий и зданий в комплектно-блочном исполнении. Полые сваи, не требующие по расчету бетонного заполнителя (п 6.3.10), заполняются бетоном класса не ниже В7,5 или раствором марки М100, а в пределах слоя сезонного промерзания-оттаивания и выше - бетоном класса не ниже В15. По способам погружения в многолетнемерзлые грунты полые сваи подразделяются (п 6.3.11) на буроопускные, опускные, бурозабивные, бурообсадные, винтовые. Полая металлическая свая погружается любым способом, если это не приводит к недопустимому повышению температуры грунтов основания и недопустимому понижению несущей способности сваи, а также другие способы, что должно быть подтверждено полевыми испытаниями экспериментальными данными и теплотехническим расчетом.

Способ имеет ряд недостатков:

1) Длительное восстановление исходного температурного состояния грунтов. Полые сваи заполняются цементным раствором или бетоном. Тепловыделения от свай, при заполнении свай цементно-песчаными раствором и гидратации цемента в процессе твердения, приводят к повышению температур грунтов. Восстановление исходного температурного состояния без СОУ, в результате работы проветриваемого подполья, может достигать нескольких лет эксплуатации («Расчет температур грунтов здания 75х18 метров» Усачев А.А., https://www.boreas3d.ru/zdanie-75h18-metrov/). При низких температурах требуется постоянный подогрев песчано-цементного либо бетонного раствора. После подогрева требуется дополнительное время на вмораживание свай для возможности передачи нагрузок от сооружения;

2) Ускоренная коррозия металлических свай. В теплый период года интенсивный теплообмен идет по стали и бетону, вызывая подтаивание грунта по всей длине и под нижним концом сваи. Известно (А.Д. Писарев, Физическое моделирование процессов на контактах льда и металлических сооружений. Автореферат, Тюмень, 2010), что ускорение коррозии металла на контакте со льдом происходит в моменты структурных преобразований льда и на фронте кристаллизации воды. При отсутствии процессов структурной релаксации во льду и фазового перехода вода-лед ускорение коррозии не наблюдается;

3) Применение СОУ только жидкостного или парожидкостного типов, не рассматривается применение СОУ конвективного замкнутого воздушного типа, а только вентилируемых фундаментов с наружной конвекцией. После завершения строительства сооружения контроль работы термостабилизатора жидкостного или парожидкостного типов и ремонт отдельных частей сильно затруднен, требуется дополнительное резервирование («Газовая промышленность», №9, 1991, с. 16-17), термостабилизаторы имеют ограниченный срок эксплуатации;

4) Ключевыми недостатками СОУ жидкостного или парожидкостного типов являются относительно низкая устойчивость к внешним динамическим нагрузкам (А. Никишин. Применение различных видов систем температурной стабилизации на объектах нефтегазовой отрасли. Инженерный вестник Дона, №2 (45), p. 9 с., 2017). Отсутствие возможности замены или ремонта в период эксплуатации;

5) Соотношение стоимости термостабилизатора к стоимости сваи составляет 1:3;

6) Способ не предполагает избыточное резервирование мерзлоты, поддержание расчетного температурного режима замороженных грунтов осуществляются ограниченно только за счет постоянно действующих охлаждающих устройств, а не сезонно действующих устройств или устройством теплового экрана;

7) Необходима герметизация системы на теплый период года; возможность очистки системы ото льда или инея; неравномерное распределение температуры воздуха по глубине вследствие малой теплоемкости; выпадение пыли внутри, а также инея на стенках труб при периодическом понижении температуры, что приводит к уменьшению их сечения и закупорке их верхней части. Для побудительной вентиляции наружным воздухом дополнительными недостатками являются: необходимость в автоматическом отключение системы при снегопаде, повышении температуры наружного воздуха выше величины, установленной проектом, и включение при снижении температуры ниже проектной величины; расходы для привода двигателя вентилятора при охлаждении грунта вынужденной конвекцией;

8) Способ не предусматривает возможность восстановления промораживания грунта в период жизненного цикла объекта.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Способ строительства и устройства свай в зонах вечной мерзлоты, включает погружение полых металлических свай, выполнение мероприятий по минимизации деградационных мерзлотных процессов, выполнение замораживания грунта путем вентиляции полости свай, подрезку свай до проектных отметок, заполнение полости сваи, монтаж теплоизоляционного экрана в границах сооружения, выполнение противопучинистых мероприятий и отличается тем, что замораживание выполняют до необходимого уровня резервирования, определяемого коэффициентом резервирования, далее, после заполнения полости сваи, сверху, выше границы деятельного слоя монтируют конструктивный элемент полной заводской готовности в виде специальной металлической муфты, образуя единую конструкцию муфты термостабилизационной и сваи - термическую сваю. Используемая металлическая муфта размыкается по высоте в зоне деятельного слоя с применением теплоизолирующего материала. При монтаже теплоизоляционного экрана выбор толщины теплоизоляционного экрана осуществляют с учетом скорости лет повышения среднегодовой температуры на границе сезонно оттаивающего слоя в охлажденном грунтовом массиве с учетом возможности повышения среднегодовой температуры воздуха и температуры многолетнемерзлых грунтов на территории освоения в течение периода эксплуатации до температуры твердомерзлого состояния данного грунта. Для средне и сильно пучинистых грунтов осуществляют противопучинистые мероприятия, которые включают выполнение теплоизоляции скорлупами в пределах деятельного слоя и установку анкера, при этом анкерную конструкцию выполняют внизу термостабилизационной муфты или на теле сваи у верхней границы сезоннооттаивающего слоя в виде лопастей. В свае, на которую монтируют термостабилизационную муфту, перед заполнением полости, для обеспечения возможности различной степени охлаждения грунта по высоте сваи, устанавливают закладной элемент в виде двухсекционной теплообменной трубки, который для обеспечения различной величины охлаждения по высоте сваи имеет оребрение и теплоизоляцию. Термостабилизационная муфта для осуществления заявленного способа преимущественно в районах со среднегодовой температурой наружного воздуха ниже минус 4°С, при среднегодовой температуре грунтов от минус 0,2 до минус 1,5°С и сливающемся типе вечномерзлых грунтов включает оребрение выступающей части, камеру теплообмена с окружающей воздушной средой, устройство направляющих воздушный поток трубок, разнесенных по высоте, бандаж для крепления трубок и отличается тем, что является отдельной от сваи конструкцией, устанавливаемой выше границы деятельного слоя, с возможностью замены и ремонта в период жизненного цикла объекта, при этом для бандажа используется жесткий теплоизоляционный материал (экструдированный пенополистирол, пеностекло и др.), который является частью узла обеспечения затухания термических волн сезонных колебаний, а также отделяет камеру теплообмена с окружающей воздушной средой и камеру охлаждения, позволяет уменьшать среднюю продольную теплопроводность сваи, уменьшая или исключая мостики тепла. Из условия минимальной теплопередачи в зоне узла размыкания сваи устанавливается опорное ребро или ребра, в случае, если действующие нагрузки в узле размыкания превышают несущую способность совместной конструкции из теплоизолирующего материала, направляющих воздушный поток трубок и металлической трубы муфты. Конструкция муфты имеет различные принципы действия в зависимости от грунтовых условий и типа производственного сооружения: с воздушной принудительной циркуляцией воздуха, с воздушной естественной конвекцией воздуха, жидкостного с естественной циркуляцией теплоносителя, жидкостного с принудительной циркуляцией теплоносителя, парожидкостного.

Технической задачей изобретения является увеличение надежности конструкции свайного фундамента в совокупности с системой, обеспечивающей поддержание вечномерзлого состояния грунтов основания, а также уменьшение сроков и стоимости строительства.

Для решения данной задачи предложен способ строительства и устройства свай в зонах вечной мерзлоты с использованием термостабилизационных муфт, состоящий из пяти этапов.

На фиг. 1 изображен первый этап. Вырывают котлован 13. Куст свай или свайное поле 7 погружают любым способом. На границе деятельного слоя 5, между деятельным слоем 3 и мерзлотой 4 оставляют скважины 14. В скважинах монтируют анкерные узлы 11. После монтажа анкерных узлов 11 скважины 14 заполняются грунтовым раствором. В зависимости от грунтовых условий может выполняться устройство систем вертикальных дренажей 10.

На фиг. 2 изображен второй этап. С помощью устройств воздушного принудительного охлаждения 16 осуществляют замораживание грунтов, окружающих сваю.

На фиг. 3 изображен третий этап. Внутри свай 7 монтируют закладной элемент 15, обеспечивающий глубину интенсивного теплообмена 12. Сваи 7 затем заполняются цементно-песчаной смесью или сухой песчаной смесью.

На фиг. 4 изображен четвертый этап. На сваю 7 устанавливают термостабилизационную муфту полной заводской готовности 9. Выполняют противопучинистые мероприятия 8.

На фиг. 5 изображен пятый этап. По дну котлована 13 устраивают теплоизоляционный экран 6. Здание или сооружение 1 монтируют на термостабилизационную муфту 9 с устройством вентилируемого подполья 2.

На первом этапе полую металлическую сваю 7 погружают любым способом, в том числе буроопускным, опускным, бурозабивным, при этом отклонение сваи от вертикали и смещение по горизонтали должно быть в соответствии с допусками по действующей нормативно-технической документации, как при производстве для сборного ростверка. Особенностью при бурозабивном способе погружения свай, в отличие от прототипа является обязательное использование кондуктора для сваи, исключающего строительный брак и обеспечивающего требуемую точность.

Также на первом этапе с целью минимизации деградационных мерзлотных процессов, являющихся следствием нарушений исходных (природных) температурно-влажностных и геохимический равновесий, сформировавшихся до инженерно-хозяйственного освоения, дополнительно на первом этапе выполняется, в зависимости от грунтовых условий:

- устройство систем вертикальных и горизонтальных дренажей 10, регулирующих надмерзлотный водообмен на территориях с нарушенным подземным стоком и позволяющих производить откачку криопэгов из оснований строящихся зданий и сооружений, повышая несущую способность слагающих их грунтов путем охлаждения;

- замена сильнозасоленных и заторфованных грунтов сезонно талого слоя в основаниях строящихся зданий и сооружений на незасоленные, с низким содержанием органических включений крупнозернистые или гравелистые песчаные грунты с устройством противофильтрационных завес, препятствующих фильтрации минерализованных грунтовых вод под строящиеся здания с окружающей территории.

В скважинах монтируют анкерные узлы 11. После монтажа анкерных узлов 11 скважины 14 заполняются грунтовым раствором.

На втором этапе после погружения осуществляют замораживание грунтового раствора между скважиной и сваей 14 при опускном способе погружения, а также охлаждение окружающих сваю грунтов путем вентиляции полости сваи холодным наружным воздухом с поверхности в холодный период 16 и с применением охлаждающих веществ (применение твердых криоагентов, обладающих свойствами сублимации, например, сухой лед, использование жидкого азота) в теплый период года. Охлаждение грунтов осуществляют вентилированием в короткий срок от 3 до 1 суток по сравнению с вмерзанием сваи в естественных условиях (без охлаждения) 70-50 суток при температуре наружного воздуха от минус 10 до минус 40 соответственно. Охлаждение осуществляется до достижения под зданием на границе сезонно оттаивающего слоя среднегодовой температуры не выше значения температуры твердомерзлого состояния данного грунта, увеличенной на коэффициент резервирования, но не выше двух значений температуры твердомерзлого состояния. Единовременное охлаждение грунтов через скважины позволяет сразу же после окончания работ передавать на свайные фундаменты повышенные нагрузки, сокращая сроки строительства. За счет перевода пластично-мерзлых грунтов в твердомерзлое состояние или понижения температур песчаных грунтов может быть достигнуто сокращение общего числа свай и их длины.

Отличительным признаком данного этапа от аналога (Руководство по устройству свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах с предварительным охлаждением основания, Москва: Госстрой СССР Москва Строиздат, 1979г.) является резервирование температуры. Коэффициент резервирования определяется как отношение периода эксплуатации объекта к скорости лет повышения среднегодовой температуры на границе сезонно оттаивающего слоя в охлажденном грунтовом массиве с учетом возможности повышения среднегодовой температуры воздуха и температуры многолетнемерзлых грунтов на территории освоения в течение периода эксплуатации до температуры твердомерзлого состояния данного грунта.

Единовременное охлаждение грунтов через скважины позволяет сразу же после окончания работ передавать на свайные фундаменты повышенные нагрузки, сокращая сроки строительства. За счет перевода пластично-мерзлых грунтов в твердомерзлое состояние или понижения температур песчаных грунтов может быть достигнуто сокращение общего числа свай и их длины.

Также отличительным признаком для данного этапа является возможность последующего повторного замораживания грунтов и восстановления резервирования в период жизненного цикла объекта, используя конструкцию закладного элемента и муфты. Для повторного замораживания могут применяться способы: принудительной конвекции в холодный период, применение твердых криоагентов, обладающих свойствами сублимации, использование жидкого азота.

На третьем этапе осуществляют подрезку сваи 7 до проектных отметок. Далее осуществляют установку в конструкцию сваи закладного элемента 15 и заполнение полости сваи 7 изнутри цементно-песчаной смесью или сухой песчаной смесью. Закладной элемент обеспечивает распределение холода в теле сваи или подачу на определенный участок в пределах границы интенсивного теплообмена. Заполнение полости сваи изнутри цементно-песчаной смесью или сухой песчаной смесью является отличительными признаками от способа (СП 25.13330.2012 ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ АКТУАЛИЗИРОВАННАЯ РЕДАКЦИЯ СНИП 2.02.04-88, Свод правил от 29 декабря 2011 г. № 25.13330.2012).

На четвертом этапе сверху металлической сваи 7, выше границы деятельного слоя 5 монтируют конструктивный элемент в виде специальной металлической муфты 9, выполняющей функцию сезонно охлаждающего устройства, увеличивающего скорость затухания термической волны сезонных колебаний, образуя единую конструкцию муфты термостабилизационной и сваи - термическую сваю. Используемый принцип действия сезонно-охлаждающего устройства в зависимости от грунтовых условий и типа производственного сооружения может быть различный: с воздушной принудительной циркуляцией воздуха фиг 8, с воздушной естественной конвекцией воздуха фиг 7, жидкостного с естественной циркуляцией теплоносителя фиг 9, жидкостного с принудительной циркуляцией теплоносителя, парожидкостного. Данный элемент можно заменять в зоне деятельного слоя в период жизненного цикла объекта, что повышает надежность и ремонтопригодность фундамента в целом. Отличительной особенностью сезонно-охлаждающих устройств различного принципа действия является конструктивная компоновка в виде муфты 9 с установкой в зоне выше границы деятельного слоя 5 для обеспечения ремонтопригодности, а также ключевым отличием является выполнение узла 17 размыкания металлической муфты по высоте в зоне деятельного слоя с применением теплоизолирующего материала для увеличения скорости затухания термической волны в свае и уменьшения амплитуды сезонных колебаний температуры вдоль ее оси, уменьшая или исключая мостики тепла. Также на данном этапе для средне и сильно пучинистых грунтов выполняются противопучинистые мероприятия путем установки в пределах деятельного слоя теплоизоляционных скорлуп 8 и анкера 11, при этом анкерную конструкцию выполняют внизу термостабилизационной муфты или на теле сваи у верхней границы сезоннооттаивающего слоя в виде лопастей.

На пятом этапе выполняют устройство теплоизоляционного 6 экрана на глубине 0,5 м с целью уменьшить глубину сезонного оттаивания и ограничить распространение тепла в вечномерзлую толщу ниже нормативной глубины сезонного оттаивания, тем самым увеличив несущую способность свайных фундаментов без увеличения глубины их заложения и количества.

Толщина теплоизоляционного экрана 6 выбирается в зависимости от грунтовых условий, тепловыделения от сооружения. Также в отличии от способа (СП 25.13330.2012 ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ АКТУАЛИЗИРОВАННАЯ РЕДАКЦИЯ СНИП 2.02.04-88, Свод правил от 29 декабря 2011 г. №25.13330.2012.) толщина экрана выбирается с учетом скорости лет повышения среднегодовой температуры на границе сезонно оттаивающего слоя в охлажденном грунтовом массиве с учетом возможности повышения среднегодовой температуры воздуха и температуры многолетнемерзлого грунта на территории освоения в течение периода эксплуатации до температуры твердомерзлого состояния данного грунта.

Описание муфты термостабилизаионной с естественной конвенцией для реализации способа

Известно «Устройство воздушной конвекции для стабилизации вечной мерзлоты» (USA 3859800). Устройство напрямую использует холодный атмосферный воздух в качестве прямой теплообменной среды для отвода такого тепла путем конвекции. Устройство включает в себя непрерывный канал, позволяющий холодному воздуху поступать непосредственно из атмосферы, проходить рядом с вечномерзлой почвой для отвода тепла, а затем отводиться обратно в атмосферу. Известен способ, предложенный Г.А. Пчелкиным, двухполостной сваи, позволяющей за счет естественной ее вентиляции наружным холодным воздухом, промораживать грунт, окружающий сваи, и в процессе эксплуатации сооружения (В.П. Чернюк, Е.И. Шляхова. Технология свайных работ в особых условиях строительства М.: Русайнс, 2019 г.).

Недостатком данных устройств является использование наружного холодного воздуха для конвективного теплообмена, который имеет загрязнения в своем составе и, как следствие, возможно попадание снега в устройство и выпадение инея на стенках труб при периодическом понижении температуры, что приводит к уменьшению их сечения и закупорке их верхней части, а также к уменьшению тепловой эффективности за счет оседания пыли в конструкции сваи, не исключена возможность затекания газов на взрывоопасных производствах. В теплый период года интенсивный теплообмен идет по стали, вызывая оттаивание грунта по всей длине и под нижним концом сваи.

Известно, что ускорение коррозии металла на контакте со льдом происходит в моменты структурных преобразований льда и на фронте кристаллизации воды (А.Д. Писарев. Физическое моделирование процессов на контактах льда и металлических сооружений. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Тюмень, 2010). При отсутствии процессов структурной релаксации во льду и фазового перехода «вода-лед» ускорение коррозии не наблюдается.

Известно устройство «Свая стальная со встроенным сезонным охлаждающим устройством (варианты)» (RU 2575383). Свая стальная со встроенным сезонным охлаждающим устройством представляет собой вытянутое по длине трубчатой формы тело вращения постоянного или переменного сечения. Свая оснащена сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения. Указанная стальная труба размещена в полости трубчатой формы тела вращения с плотным примыканием ее частей, относящихся к зонам испарения и конденсации, к внутренней стенке трубчатой формы тела вращения.

Недостатком данного метода является отсутствие возможности ремонтопригодности и ограниченный срок эксплуатации сезонно-охлаждающих устройств.

Известно «Устройство для повышения несущей способности сваи в области вечной мерзлоты» (RU 195132). Свая, нижняя часть которой погружена в вечномерзлые грунты, а верхняя часть окружена сезоннооттаивающим слоем грунта, характеризуется тем, что у верхней границы сезоннооттаивающего слоя к свае прикрепляют круговую консольную конструкцию, которая воспринимает нормальные силы морозного пучения.

Недостаток данной конструкции заключается в том, что круговая консольная конструкция не позволяет заполнять пазухи скважины грунтовым раствором, а также отсутствует возможность обтекания консоли нижележащим грунтом при значительном пучении.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за аналог (прототип), является конструкция воздушной термоопоры (сваи), изложенной в книге «Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера» (Н.Н. Корноухов, С.Я. Кушнир, А.С. Горелов, Г.М. Долгих, «Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях Севера» ЦентрЛитНефтеГаз, Москва, 2008 г.). Общими признаками прототипа с заявленным устройством являются наличие корпуса опоры, оголовка опоры, оребрения выступающей части, камера теплообмена с окружающей воздушной средой, устройство направляющих воздушный поток трубок, разнесенных по высоте и бандажа для крепления трубок.

Недостатком данного способа является высокая коррозия пустотелых труб, обеспечение герметичности наружной оболочки. В теплый период года идет интенсивный теплообмен по стали, вызывая оттаивание грунта по всей длине и под нижним концом сваи, вызывая повышенную коррозию. Уменьшение несущей способности сваи является непосредственным следствием этих термических процессов за счет ослабления сцепления сваи с грунтом, оттаивание грунта под нижним концом сваи.

На фиг. 6 приведена общая схема конструкции термостабилизационной муфты. Помимо узлов сопряжения 26 с рамой здания или сооружения, узла крепления к свае 18, муфта 9 состоит из камеры теплообмена с окружающей средой 19, узла обеспечения затухания термических волн сезонных колебаний 17 и камеры охлаждения 20. Большая часть камеры теплообмена 19 находится над поверхностью грунта в области технического подполья 2. Узел 17 состоит из опорного ребра 25, которое может устанавливаться для восприятия значительных нагрузок на сваю и жесткой теплоизоляции 16.

На фиг. 7 изображена схема конструктивного решения муфты, использующей принцип действия естественной конвекции. В камере теплообмена 19 и 20 с окружающей воздушной средой, выполняется устройство направляющих воздушный поток трубок 26, 27 разнесенных по высоте. В камере теплообмена 19 может устанавливаться оребрение для улучшения теплообмена. Перед заполнением полости сваи 7 может монтироваться закладной элемент 15 в виде двухсекционной теплообменной трубки использующий принцип воздушной конвекции трубки для улучшения теплообмена. Закладной элемент 15 может иметь оребрение и теплоизоляцию для обеспечения охлаждения определенных зон в высоте сваи.

На фиг. 8 изображена схема конструктивного решения муфты, использующей принцип действия воздушной принудительной конвекции воздуха. Внешняя система воздушного охлаждения 21, выполняемая, как правило, совместно с вентиляционными системами здания, соединена с теплообменной камерой 19. Для контроля температурного режима грунтов под зданием и автоматического регулирования температуры подачи холодного воздуха устанавливается контрольная трубка 22 с температурными датчиками (термокосой) 23.

На фиг. 9 изображена схема конструктивного решения муфты, использующей парожидкостный принцип действия с установкой термосифона. В камерах теплообмена 19 и 20 устанавливается термосифон из бесшовных труб 22, для обеспечения требуемой площади испарения в камере охлаждения трубы укладываются спиралью 23. Камера заполняется пропиленгликолем 24 для уменьшения коррозионного воздействия на трубы термосифона и аккумулирования холода.

Муфту термостабилизационной используют следующим образом:

В зимний период года при температуре окружающего воздуха ниже температуры грунта начинает работу сезонно-охлаждающего устройство 9, которое состоит из камеры теплообмена с окружающей воздушной средой 19, внутреннего и внешнего оребрения камеры теплообмена, направляющих воздушный поток трубок 26, 27, разнесенных по высоте, крепление трубок к муфте осуществляется с помощью теплоизоляционного материала 16. При температуре окружающего воздуха ниже температуры грунта в теплообменной камере 19 воздух охлаждается и опускается на дно камеры, где по направляющей трубке 26 поступает в камеру охлаждения 20. В камере охлаждения 20 происходит теплообмен с оболочкой сваи и заполнителем, воздух нагревается и поднимается вверх камеры охлаждения, далее по направляющей трубке 27 в камеру теплообмена с окружающей средой. Для улучшения теплообмена может устанавливаться оребрение 29 и закладной элемент в тело сваи 15, обеспечивающий воздушный конвективный теплообмен на определенную глубину сваи. Закладной элемент 15 представляет двухсекционную теплообменную трубку, использующую принцип воздушной конвекции. Трубка может иметь теплоизоляцию на участках для обеспечения охлаждения определенных зон по высоте сваи. Снаружи закладного элемента могут быть установлены ребра для улучшения теплообмена. Нагрузки, действующие от сооружения 1, равномерно распределяются на корпус муфты 9 с помощью ребер оголовка узла 28.

С целью увеличения скорости затухания термической волны в свае и уменьшения амплитуды сезонных колебаний температуры вдоль ее оси свая размыкается по высоте. Конструкция узла 17 обеспечения затухания термических волн сезонных колебаний состоит из опорного ребра 25, соединенного с металлической муфтой, тепловой изоляции 16, трубок теплообмена 26, 27. Зона стыка заполняется теплоизолирующим материалом 16, который воспринимает действующие на сваю нагрузки от сооружения. Жесткость узла на сжатие, изгиб обеспечиваются за счет совместной работы жесткой тепловой изоляции 16, трубок теплообмена 26, 27 и металлической трубы муфты 9. Для восприятия значительных нагрузок от сооружения, превышающих несущую способность теплоизолирующего материала 16, из условия минимальной теплопередачи устанавливают опорное ребро 25 или ребра. Предлагаемая конструкция узла обеспечения затухания термических волн сезонных колебаний позволяет уменьшать среднюю продольную теплопроводность сваи, уменьшая или исключая мостики тепла. Теплоизоляционный материал узла 16 может образовывать единый тепловой контур с уложенным под зданием или сооружением теплоизоляционным экраном 6. Предлагаемая конструкция узла обеспечивает отсутствие оттаивания и надежное сцепление сваи (смерзание) с грунтом, начиная со значительно меньшей глубины. Это дает возможность уменьшить общую длину сваи и, тем самым, получить экономию за счет уменьшения объема бурения и снижения расхода металла.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат:

1) Повышение надежности фундаментов за счет использования сменяемого элемента в виде термостабилизационной муфты, выполняющей функции сезонно-охлаждающего устройства, устройства увеличивающего скорость затухания термической волны сезонных колебаний и уменьшающего амплитуды сезонных колебаний температуры вдоль ее оси. Установка термостабилизирующей муфты создает ремонтопригодную конструкцию системы захолаживания свайного поля, где каждый элемент, обеспечивающий температурный режим (термостабилизационную муфту), можно заменить, а также позволяет выполнять контроль и восстановление резервирования захолаживания грунта в период жизненного цикла объекта повышая надежность фундаментов;

2) Уменьшение сроков и стоимости строительства за счет увеличения несущей способности свай и, соответственно, сокращения необходимого их количества;

3) Исключение избыточности выбора холодопроизводительности охлаждающих устройств, а также исключение резервирования их количества из-за низкой надежности, за счет возможности последующего повторного замораживания грунтов, восстановления резервирования в период жизненного цикла объекта и применения сменяемого элемента сезонно-охлаждающего устройства;

4) Снижение коррозионных процессов по телу сваи, вызванных интенсивным теплообменов в теплый период;

5) Применение способа для возведения фундаментов на вечной мерзлоте производственных сооружений с динамическими нагрузками с применением муфт термостабилизационных естественной конвекцией.

Изобретение относится к области строительства на вечномерзлых грунтах с сохранением вечномерзлого состояния грунтов оснований, используется при сооружении металлических свайных фундаментов зданий и сооружений. Способ строительства и устройства свай в зонах вечной мерзлоты включает устройство котлована, погружение полых металлических свай, выполнение мероприятий по минимизации деградационных мерзлотных процессов, выполнение замораживания грунта путем вентиляции полости свай, подрезку свай до проектных отметок, заполнение полости свай цементно-песчаной смесью или сухой песчаной смесью, монтаж теплоизоляционного экрана в границах сооружения, выполнение противопучинистых мероприятий. Замораживание выполняют до необходимого уровня резервирования, определяемого коэффициентом резервирования. После заполнения полости сваи, сверху, выше границы деятельного слоя монтируют конструктивный металлический элемент полной заводской готовности в виде термостабилизационной муфты с образованием термической сваи. Муфту выполняют с разъемом по высоте в зоне деятельного слоя с образованием камеры теплообмена с окружающей средой, камеры охлаждения и узла обеспечения затухания термических волн сезонных колебаний в зоне разъема, в котором размещают жесткий теплоизоляционный материал, а также с оребрением в камере теплообмена и с направляющими воздушный поток трубками, разнесенными по высоте. Технический результат – обеспечение возможности ремонтопригодности заглубленной части термостабилизационной муфты под эксплуатируемым зданием, повышение срока эксплуатации сезонно-охлаждающих устройств. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ строительства свайных оснований в зоне вечной мерзлоты, включающий устройство котлована, погружение полых металлических свай, выполнение мероприятий по минимизации деградационных мерзлотных процессов, выполнение замораживания грунта путем вентиляции полости свай, подрезку свай до проектных отметок, заполнение полости свай цементно-песчаной смесью или сухой песчаной смесью, монтаж теплоизоляционного экрана по дну котлована, выполнение противопучинистых мероприятий, отличающийся тем, что замораживание выполняют до необходимого уровня резервирования температуры, определяемого коэффициентом резервирования, после заполнения полости свай выше границы деятельного слоя монтируют на каждую сваю с возможностью замены конструктивный металлический элемент полной заводской готовности в виде термостабилизационной муфты с образованием термической сваи, при этом муфту выполняют с разъемом по высоте с образованием камеры теплообмена с окружающей средой, камеры охлаждения и узла обеспечения затухания термических волн сезонных колебаний в зоне разъема, в котором размещают жесткий теплоизоляционный материал, а также с оребрением в камере теплообмена и с направляющими воздушный поток трубками, разнесенными по высоте.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что зону разъема термостабилизационной муфты располагают по высоте в зоне деятельного слоя.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбор толщины теплоизоляционного экрана осуществляют с учетом скорости лет повышения среднегодовой температуры на границе сезонно оттаивающего слоя в охлажденном грунтовом массиве с учетом возможности повышения среднегодовой температуры воздуха и температуры многолетнемерзлых грунтов на территории освоения в течение периода эксплуатации до температуры твердомерзлого состояния данного грунта.

4. Способ п. 1, отличающийся тем, что для средне и сильно пучинистых грунтов осуществляют противопучинистые мероприятия, которые включают выполнение теплоизоляции скорлупами в пределах деятельного слоя и установку анкерных узлов, которые выполняют внизу термостабилизационной муфты или на теле сваи у верхней границы сезонно оттаивающего слоя в виде лопастей.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в свае, на которую монтируют термостабилизационную муфту, перед заполнением ее полости устанавливают закладной элемент в виде теплообменной трубки, выполненной двухсекционной, для обеспечения возможности различной степени охлаждения грунта по высоте сваи.

6. Термостабилизационная муфта для устройства свай при строительстве свайных оснований в зоне вечной мерзлоты, характеризующаяся тем, что муфта выполнена в виде металлического элемента полной заводской готовности с разъемом по высоте с образованием камеры теплообмена с окружающей средой, камеры охлаждения и узла обеспечения затухания термических волн сезонных колебаний в зоне разъема, в котором размещен жесткий теплоизоляционный материал, при этом муфта выполнена с оребрением в камере теплообмена и с закрепленными направляющими воздушный поток трубками, разнесенными по высоте.

7. Термостабилизационная муфта по п. 6, отличающаяся тем, что для обеспечения минимальной теплопередачи при действующих нагрузках, превышающих несущую способность конструкции из теплоизолирующего материала, направляющих трубок и металлической муфты в зоне узла разъема установлено опорное ребро или ребра.