ЗЕМЛЯНОЕ СООРУЖЕНИЕ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ НЕСЛИВАЮЩЕГОСЯ ТИПА Российский патент 2025 года по МПК E02D3/115 

Изобретение относится к области строительства на вечной мерзлоте и может быть использовано в области транспортного, гражданского, промышленного строительства.

Известно земляное сооружение на вечной мерзлоте несливающегося типа, содержащее тело сооружения высотой «h_С», основание и охлаждающую систему для стабилизации температурного режима грунтов, при этом основание на глубину «h_Т» от естественной поверхности и тело сооружения на высоту «h_С» на момент окончания теплого периода находятся в талом состоянии, а нижележащие грунты находятся в мерзлом состоянии (Пассек В.В., Воробьев С.С., Поз Г.М., Пассек Вяч. В. Система поверхностного охлаждения насыпи в зоне вечной мерзлоты. Путь и путевое хозяйство. №1, 2024 г.).

Это техническое решение предусматривает охлаждающую систему для стабилизации температурного режима грунтов поверхностного типа, то есть расположенную на внешней поверхности земляного сооружения. Это может быть, например, оголенная от снега поверхность, каменная наброска и др. Преимущество данной схемы заключается в простоте устройства охлаждения системы.

Недостаток этого технического решения заключается в медленности промораживания талого слоя. Может потребоваться несколько лет на это промораживание и, следовательно, на момент ввода земляного сооружения в эксплуатацию. Поэтому это техническое решение применяется при малой толщине талого слоя «δ» (δ=h_T+h_C), когда высота «δ» превышает толщину деятельного слоя δ_Д (сезонного промерзания) не более чем на 1-1,5 м, то есть толщина талого слоя «δ_Н» на момент окончания холодного периода года δ_Н =δ - δ_Д ≤ 1,5 м. При этом срок ввода в эксплуатацию - 1-2 зимних сезона. В практике значение δ_Н достигает 5,0 м и более.

Известно земляное сооружение на вечной мерзлоте несливающегося типа, содержащее тело сооружения высотой «h_C», основание и охлаждающую систему для стабилизации температурного режима грунтов, при этом основание на глубину «h_T» от естественной поверхности и тело сооружения на высоту «h_C» на момент окончания теплого периода находятся в талом состоянии, а нижележащие грунты находятся в мерзлом состоянии (Дыдышко П.И. Земляное полотно железнодорожного пути. Справочник. Труды ОАО «ВНИИЖТ». М. 2014. Стр. 245). Это техническое решение предусматривает использование в качестве охлаждающей системы комплекс парожидкостных термостабилизаторов, расположенных только по высоте всей талой зоны «δ». Расстояние между термостабилизаторами в плане устанавливается 2-3 м. Достоинством этой схемы по сравнению с первым техническим решением является то, что вся талая зона толщиной до 5 м и более перемораживается за один или два зимних сезона, что позволяет вводить сооружение в эксплуатацию уже, соответственно, через один или два сезона при значительно большей толщине талого слоя по сравнению с первым случаем. Это техническое решение имеет три недостатка:

1) большой расход термостабилизаторов;

2) поскольку термостабилизатор имеет надземную часть, то при большом количестве термостабилизаторов внешняя поверхность земляного сооружения становится занятой, и работы на поверхности, а зачастую и сама эксплуатация земляного сооружения становятся затруднительными;

3) после постройки земляного сооружения требуется время не менее одного сезона для промораживания талого слоя. В этот период сооружение не может быть введено в эксплуатацию.

Целью изобретения является сокращение расхода термостабилизаторов, освобождение частичное или полное внешней поверхности земляного сооружения от охлаждающих устройств, сокращение срока ввода земляного сооружения в эксплуатацию.

Поставленная цель достигается тем, что земляное сооружение на вечной мерзлоте несливающегося типа содержит тело сооружения высотой «h_С», основание и охлаждающую систему для стабилизации температурного режима грунтов, при этом основание на глубину «h_Т» от естественной поверхности и тело сооружения на высоту «h_С» на момент окончания теплого периода года находятся в талом состоянии, а нижележащие грунты находятся в мерзлом состоянии. Охлаждающая система выполнена в виде сезоннодействующих вертикальных трубчатых охлаждающих установок, заглубленных в грунт от верхней поверхности земляного сооружения на глубину «Н», где

,

а расстояние «С» между установками

h - глубина погружения сезоннодействующей вертикальной трубчатой охлаждающей установки в мерзлую толщу грунта. Сезоннодействующие вертикальные трубчатые охлаждающие установки могут быть выполнены в виде термоопор.

Сущность изобретения поясняется фигурами, где:

на фиг. 1. представлена схема земляного сооружения на вечной мерзлоте несливающегося типа, сечение по вертикальной плоскости, предлагаемое техническое решение;

на фиг. 2 представлено то же, аналог;

на фиг. 3 представлено то же, прототип;

на фиг. 4 представлен пример расположения термостабилизаторов в земляном сооружении (сечение по вертикальной плоскости) по схеме прототипа;

на фиг. 5 представлено то же, по предлагаемой схеме.

Земляное сооружение на вечной мерзлоте несливающегося типа содержит тело сооружения 1, расположенное на естественной поверхности 2 грунтов основания, которое содержат слой 3 высотой «h_T» и нижележащие грунты 4. На момент окончания строительства во время окончания теплого периода тело сооружения 1 и слой 3 находятся в талом состоянии, а грунты 4 - в мерзлом. Охлаждающая система выполнена в виде сезоннодействующих вертикальных трубчатых охлаждающих установок 5. Это могут быть термоопоры, основанные на конвекции воздуха, или парожидкостные термостабилизаторы. Охлаждающие установки заглублены в мерзлые грунты 4 ниже верхней границы мерзлоты 6 на величину «h», при этом общая глубина погружения, считая от внешней поверхности 7 земляного сооружения, составляет Н=h_C+h_T+h, м. Расстояние «С» между установками назначается по формуле

Формула для «С» получена на основании обобщения результатов теплофизических расчетов.

Для лучшего понимания работы предлагаемого технического решения рассмотрим сначала аналог (фиг. 2) и прототип (фиг. 3).

В аналоге предусмотрено поверхностное охлаждение. Потоки холода 8, формируемые в связи с отрицательной среднегодовой температурой воздуха, направлены вниз через внешнюю поверхность 7 в тело земляного сооружения 1. В результате постепенно замораживается сначала тело сооружения 1, затем слой 3. Но это происходит медленно, иногда много лет. Более того, нижележащая мерзлота 4 за это время растепляется, поскольку круглый год граничным условием сверху для массива 4 является температура замерзания, близкая к значению 0°С. Сверху холод будет поступать в массив 4 из внешней среды только после полного замерзания слоя 3. Растепленные грунты 4 становятся пластичномерзлыми, т.е. деформируемыми. В связи с этим деформируемый слой превышает δ = h_C + h_T. Поэтому после смерзания для прекращения деформации требуется еще несколько лет для понижения температуры верхней части массива у грунтов 4.

В прототипе (фиг. 3) недостаток аналога устранен. Для охлаждения применены термостабилизаторы 9, которые заглублены на всю величину талого слоя (δ=h_C+h_T). Замораживание грунтов в большинстве случаев происходит за один зимний сезон. Для этого расстояние «d» между термостабилизаторами назначают по расчету (обычно 1,5÷2,5 м). Холод поступает из атмосферы в надземную часть 10 термостабилизатора по направлению 11, а в грунт уходит по направлению 12. Существенной характеристикой прототипа является то, что замораживание зоны 3 требуют большого количества энергии, так как необходимо грунт перевести из одного фазового состояния в другое.

Это учитывается в предлагаемом техническом решении: не затрачивается энергия на перевод грунта из одного фазового состояния в другое, а поддерживается мерзлое состояние нижележащей толщи 4. Холод поступает из атмосферы в надземную часть 13 термостабилизатора 5 по направлению 14, а в грунт уходит по направлению 15. При этом следует учитывать, что для того, чтобы перевести 1 м³ грунта из талого состояния в мерзлое, нужно порядка 25000 килокалорий (прототип), а чтобы мерзлый грунт охладить на 1°С, нужно порядка 600 ккал, т.е. в 50 раз меньше (предложенное техническое решение). Поэтому условно стрелки 12 сделаны короче, а стрелки 15 сделали длиннее (поскольку одинаковые запасы холода в одном случае проникают на 1,0÷1,5 м по радиусу, а в другом - на величину радиуса R≈h (по результатам расчетов и опытных данных). Поэтому расстояние между охлаждающими установками в предложенном техническом решении составит

Из конструктивных соображений не рекомендуется значение «С» назначать более 20 м.

Эффективность может быть повышена, если исключить потери холода на высоте «δ», применив теплоизоляцию 16 на этой высоте.

Глубину «h» погружения охлаждающей установки следует назначать из следующих двух условий. Во-первых, следует учитывать характер мерзлоты. Если более половины «h» составляют пластичномерзлые грунты (в них переход из талого состояния не закончен), то к=0,75. Если пластичномерзлые грунты составляют менее 15%, то к=1,25. Из этих условий высоту «h» целесообразно назначать так, чтобы пластичномерзлые грунты составляли бы не более 0,4h.

Второе условие определяется требованием не загромождать верхнюю поверхность земляного сооружения элементами охлаждающих систем. В данном случае в предлагаемом техническом решении расстояния «С» между охлаждающими установками во много раз превышает расстояние «d» в прототипе. Это расстояние можно увеличить за счет увеличения «h». Кроме того, при этом расстоянии становится целесообразным применять не термостабилизаторы, а термоопоры, которые в себе совмещают функции охлаждения и контроля (они являются одновременно термоскважинами). Термоопоры обладают еще одним важным свойством: имеются варианты с горизонтальным теплообменником. А в этом случае вообще внешняя поверхность земляного сооружения становится свободной.

Техническое противоречие, которое возникало при применении прототипа, характеризовалось следующим. Попытка быстрее заморозить талый слой приводила к увеличению количества термостабилизаторов, надземная часть которых загромождала внешнюю поверхность земляного сооружения. Для осуществления возможности эксплуатации необходимо было через 1-2 года убирать термостабилизаторы и заменять и ее другой системой, например поверхностной. В предложенном техническом решении отказались от заморозки талого слоя, а основное внимание уделяется сохранению и понижению температуры нижележащей мерзлоты, что обеспечивает ограничение области деформации только талым слоем. Земляное сооружение рассчитывается из грунтов талых на жестком подстилающем слое. Тем не менее, постоянно снизу идет замораживание талого слоя, и устойчивость земляного сооружения во времени улучшается без применения дополнительного поверхностного охлаждения. Однако применение поверхностного охлаждения позволяет существенно ускорить процесс или учесть глобальное потепление. Предложенное техническое решение позволяет земляное сооружение ввести в эксплуатацию практически сразу после строительства. Возведение земляного сооружения из талых грунтов позволяет более качественно произвести отсыпку. Кроме того, открывает путь к способам сооружения, которые осуществляются только талыми грунтами, например намыв земляного сооружения способом гидромеханизации, который в области распространения вечной мерзлоты весьма перспективен в связи с отдаленностью объектов, бездорожьем и наличием большого количества водоемов. Обжатие талого слоя грунтов основания происходит летом, поэтому основная часть деформации происходит уже во время строительства. А другие деформации, например, в результате ползучести происходят медленно. Но постепенное замерзание талого слоя эти деформации предотвратит. Другими словами, все деформации происходят во время строительства, сооружение вводится в эксплуатацию сразу, а далее идет постепенное упрочение земляного сооружения.

На фиг. 4 и 5 приведен пример сопоставления затрат термостабилизаторов для двух технических решений: прототипа (фиг. 3) и предлагаемого (фиг. 1). В обоих случаях рассматривается площадка под строительный комплекс, намытая способом гидромеханизации в летний период. Высота площадки h_C = 5,0 м, толщина талого слоя h_T - 2,0 м, глубина погружения термостабилизатора мерзлоту h = 5,0 м, высота теплообменника в прототипе h_M = 1,5h м, а в предлагаемом решении h_δ = 2,0 м. Общая длина термостабилизатора в первом случае равна 8,5 м, во втором случае 14 м. В плане для охлаждения на один термостабилизатор в предлагаемом техническом решении длиной 14,0 м приходится 15 термостабилизаторов длиной 8,5 м, т.е. 153, 0 п. м., что в 11 раз больше! Кроме того, в предлагаемом техническом решении расстояние «С» между термостабилизаторами равно 10 м, (в прототипе 2,5 м, что позволяет осуществлять проезд и возводить надземные сооружения). Тем более, что теплообменники при применении не термостабилизаторов, а термоопор возможно располагать горизонтально в уровне с поверхностью 7.

В данном техническом решении имеются следующие существенные признаки.

Первый существенный признак:

- земляное сооружение на вечной мерзлоте несливающегося типа содержит тело сооружения высотой «h_C», основание и охлаждающую систему для стабилизации температурного режима грунтов, при этом основание на глубину «h_Т» от естественной поверхности и тело сооружения на высоту «h_C» на момент окончания теплого периода года находятся в талом состоянии, а нижележащие грунты находятся в мерзлом состоянии.

Второй существенный признак:

- охлаждающая система выполнена в виде сезоннодействующих вертикальных трубчатых охлаждающих установок, заглубленных в грунт от верхней поверхности земляного сооружения на глубину «Н», где

а расстояние «С» между установками

h - глубина погружения сезоннодействующей вертикальной трубчатой охлаждающей установки в мерзлую толщу грунта.

Оба признака являются взаимосвязанными, необходимыми и достаточными для достижения заявленного результата. Оба признака включены в основной п. Формулы.

Кроме того, имеется третий признак, который отражен в п. 2 Формулы:

- сезоннодействующие вертикальные трубчатые охлаждающие установки выполнены в виде термоопор

Эффективность предлагаемого изобретения определяется сокращением расхода охлаждающих установок, освобождением частичным или полным внешней поверхности земляного сооружения от охлаждающих установок, практически обнулением срока ввода сооружения в эксплуатацию.

Изобретение относится к области строительства на вечной мерзлоте. Земляное сооружение на вечной мерзлоте несливающегося типа содержит тело сооружения высотой «h_C», основание и охлаждающую систему для стабилизации температурного режима грунтов. Основание на глубину «h_Т» от естественной поверхности и тело сооружения на высоту «h_С» на момент окончания теплого периода года находятся в талом состоянии. Нижележащие грунты находятся в мерзлом состоянии. Охлаждающая система выполнена в виде сезоннодействующих вертикальных трубчатых охлаждающих установок, заглубленных в грунт от верхней поверхности земляного сооружения на глубину «Н», где , а расстояние «С» между установками h - глубина погружения сезоннодействующей вертикальной трубчатой охлаждающей установки в мерзлую толщу грунта. Сезоннодействующие вертикальные трубчатые охлаждающие установки могут быть выполнены в виде термоопор. Технический результат - сокращение расхода охлаждающих установок, освобождение поверхности земляного сооружения от охлаждающих установок. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Земляное сооружение на вечной мерзлоте несливающегося типа, содержащее тело сооружения высотой «h_C», основание и охлаждающую систему для стабилизации температурного режима грунтов, при этом основание на глубину «h_Т» от естественной поверхности и тело сооружения на высоту «h_С» на момент окончания теплого периода года находятся в талом состоянии, а нижележащие грунты находятся в мерзлом состоянии, отличающееся тем, что охлаждающая система выполнена в виде сезоннодействующих вертикальных трубчатых охлаждающих установок, заглубленных в грунт от верхней поверхности земляного сооружения на глубину «Н», где

,

а расстояние «С» между установками

h - глубина погружения сезоннодействующей вертикальной трубчатой охлаждающей установки в мерзлую толщу грунта.

2. Земляное сооружение на вечной мерзлоте несливающегося типа по п. 1, отличающееся тем, что сезоннодействующие вертикальные трубчатые охлаждающие установки выполнены в виде термоопор.