Термостабилизация грунтов
Термостабилизация грунтов — комплекс мероприятий, направленных на поддержание отрицательной температуры грунтовых оснований с целью обеспечить устойчивость расположенных на них сооружений.
Строительство в районах Сибири и Крайнего Севера сопряжено с трудностями, вызванными спецификой (типом) вечномерзлых грунтов и нестабильностью климатических условий.
Ключевая задача термостабилизации — удержание температуры грунтовых оснований в диапазоне значений, обеспечивающих стабильную и безопасную эксплуатацию зданий и сооружений, независимо от факторов климата и техногенной деятельности.
Приоритетной областью применения систем термостабилизации грунтов являются:
-
предприятия газо- и нефтедобывающей отрасли, трубопроводы;
-
промышленные комплексы по добыче цветных металлов, золота и алмазов;
-
транспортная инфраструктура — железные, автодороги, аэродромы и порты;
-
жилая и административная застройка.
Термостабилизация позволяет сохранять оптимальную температуру нетающих толщ на всех этапах строительства. При грамотном подходе к реализации технология способна обеспечить не только продолжительный срок жизни постройки или конструкции, но также оптимизировать процессы, сопровождающие введение и последующую эксплуатацию объекта, например, значительно снизить смету.
Методы термостабилизации
В зависимости от специфики хозяйственной деятельности, термостабилизация грунтов в условиях вечной мерзлоты может требовать разных подходов.
По типу воздействия на грунт все системы термостабилизации можно разделить на меры, принятые к поверхности, и технические средства, позволяющее контролировать температурный режим в толще оснований.
Поверхностная защита
К этой категории относятся технически простые и относительно недорогие средства, которые выполняют профилактическую функцию. Они способны лишь частично нивелировать негативный эффект нагрева и, как правило, применяются для снижения температуры грунта на небольшой глубине.
Примеры:
-
навесы от солнца сокращают контакт солнечной радиации с поверхностью, предохраняя от оттаивания локальные участки;
-
мероприятия по расчистке снега для оптимизации теплообмена верхнего слоя грунта;
-
покрытие объекта светоотражающими составами, повышающими диффузионную способность поверхности (альбедо);
-
устройство канальных систем различной конфигурации, обеспечивающих циркуляцию воздуха и охлаждение планировочных насыпей;
-
использование крупноблочных пород для оптимизации дренажа и вентиляции верхнего слоя;
-
применение теплоизоляционных материалов (мерзлотные экраны, биоматы) для сокращения теплового воздействия на фундаменты и основания.
Как показывает практика, наибольший эффект в борьбе с повышением температуры вечномерзлых грунтов дает комбинированное применение всех доступных средств.
Установки глубокого охлаждения
Комплексы, обеспечивающие принудительное замораживание оснований на глубине — это, чаще всего, погружные конструкции трубчатого типа, создающие условия для циркуляции хладагента в непосредственной близости от фундамента.
Парожидкостные термостабилизаторы (ТСУ)
Теплообменные элементы (двухфазные термосифоны) в виде герметичной вакуумированной трубы, заполненной теплоносителем. Термодинамические процессы, происходящие внутри устройства, обеспечивают парорефрижераторный цикл: кипение с испарением и последующей конденсацией (две фазы вещества).
Происходящий во время реакции тепломассоперенос, от участка кипения к участку конденсации, позволяет добиться эффективной теплопередачи с высоким темпом замораживания области грунта вокруг стабилизатора.
ТСУ активно применяются для решения самых разных задач:
-
восстановление мерзлого состояния грунтов;
-
предпостроечное замораживание оснований;
-
уменьшение техногенного воздействия постройки на грунт и т. д.
Принципиальная схема термосифонов дает возможность гибко конфигурировать их относительно условий и целей проекта. Существуют ТСУ вертикальной и горизонтальной конструкции, с различным углом наклона, длиной и диаметром.
Сезонные охлаждающие устройства (СОУ)
Группа элементов, использующих принцип термосифона, определяющей характеристикой которых, является автоматический запуск теплообмена при наступлении определенных условий. Например, с достижением разницы температуры внешней среды и многолетнемерзлой толщи, установленных значений.
Устройства СОУ автономны и не нуждаются в источниках энергии. Процесс переноса тепла не требует ручной активации и начинается, как только температура воздуха над поверхностью опустится ниже значений в толще основания.
Сезонно-действующие охлаждающие устройства используются для сохранения мерзлого состояния грунтов там, где контроль геокриологической обстановки затруднен удаленностью локации: линии электропередач, трубопроводы, железнодорожные насыпи и автомагистрали.
Холодильные установки (ХУ)
В отличие от ТСУ и СОУ устройства данной группы являются частью системы, обеспечивающей циркуляцию хладагента. Хотя описываемая конфигурация и увеличивает расходы на организацию и содержание, она обладает существенным преимуществом — независимостью от климата и рельефа.
-
Это дает возможность применять холодильные установки для принудительной заморозки оснований в любых районах, без ограничений, связанных с инженерно-геологическими условиями.
Современные методики использования холодильных установок для термостабилизации вечномерзлых грунтов незаменимы в следующих ситуациях:
-
зональное замораживание и создание нестандартного ледопородного ограждения;
-
оперативное замораживание (до 48 часов) грунта в местах аварии на магистральных трубопроводах природного газа;
-
прокладка тоннелей, устройство фундаментов, горные работы;
-
контроль грунтовых вод;
-
установка ветрогенераторов.
Основной недостаток термостабилизаторов этого типа — необходимость в постоянном энергопитании, что в условиях удаленности объектов и относительно слаборазвитой инженерной инфраструктуры, может стать сложной задачей.
Системы ГЕТ и ВЕТ
Сложные комплексы, представляющие собой разветвленную сеть горизонтально (ГЕТ) или/и вертикально (ВЕТ) расположенных тепловых трубок с общим контуром и испарителем, централизованно обеспечивающим конденсацию и циркуляцию хладагента. Системы ГЕТ используют для замораживания грунтов на площадях, ВЕТ применяют для управления температурой на больших глубинах.
Термостабилизация грунта на вечной мерзлоте — сложная, многоэтапная задача, требующая профессионального подхода на каждом этапе реализации. Одним из основных факторов выхода системы на оптимальные показатели, является контроль работоспособности оборудования и мониторинг температурного режима оснований.
В этом отношении убедительную результативность показывает совокупность регулярного визуального наблюдения с инструментальным контролем: бесконтактным тепловизионным, и контактным посредством установки датчиков температуры.
Компания РУСГЕОТЕХ занимается разработкой оборудования для контроля температуры грунтов, устройств контроля работоспособности термостабилизаторов и систем автоматизации мониторинга. Наши решения позволяют отслеживать любые изменения среды в режиме реального времени, круглосуточно, из любой точки мира.