способ локального оттаивания вечномерзлых грунтов

Формула изобретения

Способ локального оттаивания вечномерзлых грунтов для осуществления последующего инъектирования укрепляющим раствором, заключающийся во введении в грунт паронагревателя открытого типа и проведении оттаивания грунта в зоне оттаивания объемом V, отличающийся тем, что зону оттаивания делят на активную подзону объемом V_a и реактивную подзону объемом V_p, а во времени процесс оттаивания делят на этап частичного оттаивания длительностью _п и этап выстойки длительностью _В, при этом активную и реактивную подзоны формируют из последовательно чередующихся по высоте или ширине зоны оттаивания участков толщиной d, причем

V_a = 0,5кV, м³;

V_a + V_p = V, м³;

_п=кl00d², ч;

к = 0,8 - 1,2 - коэффициент учета местных условий;

_п - этап частичного оттаивания, ч;

d - толщина участков зоны оттаивания, м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам возведения свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечной мерзлоты.

Известен способ локального оттаивания вечномерзлых грунтов, заключающийся во введении в грунт нагревателя и проведении последующего нагрева до требуемого режима, при этом нагреватель применяют закрытого типа (Порхаев Г.В., Таргулян Ю.О. Повышение эффективности устройства свайных фундаментов в мерзлых грунтах. Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт организации, механизации и технической помощи строительству. М., 1972, с. 22-25).

Недостатком способа являются повышенные затраты времени на оттаивание, поскольку в процессе нагрева по мере увеличения зоны оттаивания тепловой поток к мерзлому грунту резко уменьшается, и сам процесс замедляется.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ локального оттаивания вечномерзлых грунтов, заключающийся во введении в грунт нагревателя и проведении последующего нагрева до требуемого режима, при этом применяют нагреватель открытого типа (там же).

Недостатком способа является повышенный разогрев, что, во-первых, резко замедляет процесс смерзания массива с грунтом, а, во-вторых, в случае укрепления оттаявшего грунта инъектированием существенно увеличивается промежуток времени от момента окончания оттаивания до момента начала инъектирования из-за высокой температуры оттаявшего грунта.

Предлагаемым изобретением решаются задачи сокращения времени достижения требуемой для инъектирования температуры грунта и уменьшения общей зоны растепления грунта.

Для достижения технического результата в способе локального оттаивания вечномерзлых грунтов для осуществления последующего укрепления их инъектированием раствора, заключающемся во введении в грунт паронагревателя открытого типа и проведении протаивания грунта в зоне оттаивания объемом V, зону оттаивания делят на активную подзону объемом V_a и реактивную подзону объемом V_p, а во времени процесс оттаивания делят на этап частичного оттаивания длительностью _п и этап выстойки длительностью _в, при этом активную и реактивную подзоны формируют из последовательно чередующихся по высоте или ширине зоны оттаивания участков толщиной d, причем

V_a=0,5кV, м³,

V_a+V_p=V, м³,

_п=к 100d², ч,

к=0,8-1,2 - коэффициент учета местных условий,

_п, ч - определяют известными методами, исходя из величины V_a, влажности грунта и производительности парогенераторной установки,

d, м - определяют как минимально возможную по технологическим соображениям.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображено расположение требуемой зоны оттаивания в общем грунтовом массиве и схема деления этой зоны на активную и реактивную подзоны по предлагаемому способу, сечение по вертикальной плоскости, проходящей через центр зоны:

на фиг.2 - то же, сектор зоны в плане;

на фиг.3 - то же, что и на фиг.1 с изображением температурных полей через 2 суток после окончания этапа частичного оттаивания (пример №1 осуществления способа);

на фиг.4 - то же, что и на фиг.1, с изображением температурных полей через 10 суток после окончания этапа частичного оттаивания (пример №1 осуществления способа);

на фиг.5 - расположение требуемой зоны оттаивания в общем грунтовом массиве (пример №2 способа оттаивания в соответствии с прототипом), сечение по вертикальной плоскости, проходящей через центр зоны;

на фиг.6 - то же, сектор зоны в плане;

на фиг.7 - то же, что и на фиг.5 с изображением температурных полей через 2 суток после окончания оттаивания (пример №2 осуществления способа по прототипу);

на фиг.8 - то же, что и на фиг.5, с изображением температурных полей через 10 суток после окончания оттаивания (пример №2 осуществления способа).

Предлагаемый способ заключается в следующем.

В массиве грунта 1 намечают зону 2 оттаивания. Зона оттаивания представляет собой цилиндр высотой h и средним радиусом основания r. Верхняя граница зоны 2 оттаивания может совпадать с естественной поверхностью 3 грунта (может и не совпадать). Зону 2 оттаивания разделяют на реактивную подзону высотой h и объемом V_p, имеющую в плане кольцеобразную форму с толщиной кольца d₂, и активную подзону объемом V_a, который определяется как разность полного объема V зоны 2 оттаивания и объема V_p реактивной подзоны: V_a=V-V_p. Разделение объема V на V_a и V_p может быть и по другому принципу: например, на сменяющиеся участки активной и реактивной подзон по высоте зоны 2 оттаивания. При этом объем V_p реактивной подзоны должен составлять определенную часть от общего объема. Эта часть определяется теплофизическим расчетом, но может быть приближенно определена по формуле V_a=0,5кV, при этом V_a+V_p=V, где к=0,8-1,2 - коэффициент учета местных условий.

Как уже было отмечено, активную и реактивную подзоны формируют из последовательно чередующихся по высоте или ширине участков толщиной d. Способ оттаивания предусматривает два этапа - этап частичного оттаивания длительностью _п и этап выстойки длительностью _в. Время _п определяют известными методами, исходя из величины V_a, влажности грунта и производительности парогенераторной установки. Время выстойки _в определяется размером d(м), _в=100кd², ч.

Активную зону оттаивают паропрогревом, реактивная зона оттаивает за счет тепла, введенного при оттайке активной зоны. Для понимания преимуществ предлагаемого способа оттаивания рассмотрим техническое противоречие, возникающее при применении прототипа.

В прототипе зону 2 оттаивания не разделяют на активную и реактивную зоны, а осуществляют оттаивание всей зоны сразу, погружая паровые иглы в грунт. Пар, поступающий в грунт из паровой иглы, оттаивает грунт и производит его механическое перемешивание. Поэтому распространение тепла в оттаянной массе грунта осуществляется конвекцией. Грунтовая масса имеет относительно равномерную температуру порядка 90 С. Разогретая масса непосредственно соприкасается с мерзлым грунтом, непрерывно его “омывая”, что приводит к интенсивному оттаиванию грунта. Вследствие сравнительно быстрого оттаивания грунта температура прилегающих к оттаянной скважине мерзлых грунтов повышается мало.

Таким образом, в результате применения такого паропрогрева мы получаем зону 2 оттаивания с высокой температурой грунта порядка 90 С. Когда речь идет о неширокой скважине, в которую еще забивается холодная свая, то введенное тепло достаточно быстро рассасывается. Если же диаметр скважины растет (например, для укрепления оттаявшего грунта цементным раствором требуются существенно большие диаметры зоны 2, чем при забивке свай), то количество введенного тепла увеличивается пропорционально квадрату диаметра. Это приводит к двум отрицательным последствиям. Во-первых, долгое время (10 суток и более) температура грунта остается очень высокой, что не позволяет осуществлять инъектирование раствора. Во-вторых, введенное тепло, постепенно рассасываясь, приводит к деградации мерзлоты в значительной области, при этом восстановление мерзлоты иногда происходит за долгие месяцы и даже годы.

Таким образом, техническое противоречие определяется следующим. Для повышения надежности оснований необходимо увеличивать зону укрепления инъектированием грунта и, следовательно, увеличивать зону 2 оттаивания. Но это увеличение ведет к снижению надежности окружающих зону инъектирования вечномерзлых грунтов в связи с их растеплением и резким увеличением срока дальнейшего смерзания, а также резкому увеличению срока остывания зоны оттаивания до температуры, при которой допускается инъектирование.

Выход из создавшегося противоречия заключается в разделении зоны 2 оттаивания на активную и реактивную подзоны.

Для обоснования параметров принятых схем проведем следующие рассуждения.

При любой схеме разделения зоны 2 оттаивания на активную и реактивную подзоны (будет ли это в соответствии с фиг.1 и 2, т.е. разделение в горизонтальном направлении, или это будет разделение в вертикальном направлении) вся зона 2 оттаивания с достаточной для практики точностью может быть разделена на элементарные замкнутые от внешнего воздействия объемы, содержащие часть активной и часть реактивной подзон, между которыми происходит теплообмен до выравнивания их температур. Условно можно сказать (в связи с достаточно большой скоростью оттаивания открытой паровой иглой), что теплообмен между участками замкнутого элементарного объема начинается с момента окончания оттаивания активной зоны. На фиг.1 таким элементарным объемом, например, является единичный по высоте и по окружности участок с размерами по радиусу Теплообмен в пределах этого элементарного объема будет идти по закону

где t₂, t₃ - температура соответственно участков размерами d₂, d₃;

F - площадь поперечного сечения элементарного объема;

- коэффициент теплопроводности бетона.

Если принять начальную температуру t₂ и t₃ равной +90 С, а конечную - +20 С (при которой допускается инъектирование раствора), то h_3cp будет равна +55 С. Средняя температура t_2cp реактивной зоны равна примерно 0 С (поскольку в основном эта зона находится в стадии протаивания).

Тогда (t₃-t₂)_cp=55 С,

=2,2 ккал/м ч град.

Количество тепла, которое за время _в в пределах “элементарного объема” перейдет из нагретого участка шириной в холодный участок шириной будет равно Принимая t_p (т.е. температуру грунта, при которой осуществляют инъектирование раствора) равной 20 С, а С_т (объемную теплоемкость талого грунта) равной 650 ккал/(м³ град), получаем:

Подставляя формулу (2) в формулу (1), получаем:

откуда

где _в - время, за которое в частях и “элементарного объема” l₁ произойдет выравнивание температур. Это время соответствует длительности этапа выстойки.

Определим теперь, какое оптимальное соотношение активной и реактивной подзон должно быть. За оптимальный примем тот случай, когда количество тепла , которое требуется для оттаивания и разогрева реактивной зоны до температуры t_p, будет равно количеству тепла , выделяемому активной зоной (после окончания ее оттаивания) при понижении ее температуры от +90 до t_p.

Примем следующие обозначения:

_ск, кг/м³ - объемный вес сухого грунта;

W - отношение веса воды к весу сухого грунта (в долях единицы);

80 ккал/кг - удельная скрытая теплота;

С_м, С_т - ккал/м³ град - объемная теплоемкость соответственно мерзлого и талого грунта;

t_p, град - температура грунта, при которой осуществляется инъектирование;

t₃, град - температура замерзания-оттаивания грунта;

t_гр, град - температура мерзлого грунта до оттайки.

где , ккал - количество тепла, которое требуется для разогрева мерзлого грунта до температуры t₃ замерзания-оттаивания грунта;

, ккал - количество тепла, которое требуется, чтобы превратить грунт из мерзлого состояния в талое;

, ккал - количество тепла, которое требуется, чтобы разогреть талый грунт от температуры t₃ до температуры t_p;

Поскольку V_p=V-V_a, получаем:

Обозначим: Q₂, ккал/м³ - объемное (т.е. на единицу объема) выделение тепла активной зоной;

Q₁, ккал/м³ - объемное поглощение тепла реактивной зоной.

Q₁=C_м(t₃-t_гр)+ _ск W 80+C_т(t_p-t₃),

Q₂=C_т(90-t_p).

Тогда после алгебраических преобразований (4) получаем:

Принимаем следующие характеристики грунта:

t₃=0 C; t_ср=-1 C; t_p=20 C.

Тогда

Поскольку колебание скрытых теплот Q’’ может быть практически в пределах 20000-30000 ккал/м³, в формулу (6) может быть введен коэффициент к=0,8-1,2.

Таким образом, можно отметить, что объем активной зоны приближенно равен объему реактивной зоны. В этом случае d₂ d₃=d, где d - суммарная ширина нагретого и холодного участков “элементарного объема”, поскольку ширина нагретого (и холодного также) участков в “элементарном объеме” равна половине полной ширины нагретого участка, то величина d может быть интерпретирована также как ширина всего нагретого или холодного участка. Формула (3) тогда преобразуется в следующий вид:

Из этой формулы следует, что время, за которое происходит выравнивание температур холодного и нагретого участков “элементарного объема”, пропорционально квадрату ширины этого объема. Чисто теоретически значение d должно стремиться к нулю, т.е. зона 2 оттаивания должна состоять из большого числа очень малых “элементарных объемов”. Фактически минимальная ширина “элементарного объема” будет определяться особенностями технологического процесса и практически определяться десятками сантиметров.

Для пояснения существа предлагаемого способа был проведен расчет численным методом на ЭВМ температурного режима грунтов по предлагаемому способу (результаты расчета приведены на фиг.1-4) и по способу, принятому за прототип. Радиус зоны 2 оттаивания r в обоих случаях принят равным 1,2 м, высота этой зоны - 6,5 м. В первом случае зона 2 разделена по ширине на 3 части по 0,4 м (d₁=d₂=d₃= 0,4 м). Оттаяны были зоны d₁ и d₃. Температура 20 С в зоне 2 сформировалась уже через 2 суток. В прототипе (нагрета была вся зона 2) температура +20 С была достигнута только через 10 суток (фиг.5-8). Таким образом, применение предлагаемого способа позволило в 5 раз ускорить процесс достижения допустимой для инъектирования температуры грунта. Кроме того, существенно уменьшилась общая зона растепления грунта. Следует отметить, однако, что при принятой в рассмотренном примере схеме разбивки зоны 2 оттаивания на активную и реактивную подзоны не было достигнуто оптимальное время _в выравнивания температур: по формуле (7) при размерах d₂ и d₃ по 0,4 м d=0,4 м, тогда _в=16 ч.

Это произошло потому, что, во-первых, активная подзона принята больше, чем 50% от зоны 2 (это было принято для наглядности расчетной схемы), а, во-вторых, потому, что часть нагретого участка d₃ контактирует не с реактивной подзоной, а с внешним грунтом, растепляя его, что увеличивает общее время остывания грунта.

Эффективность предлагаемого способа определяется сокращением времени достижения требуемой для инъектирования температуры, сокращением объемов растепляемого вечномерзлого грунта.

Область применения данного способа не ограничивается случаями инъектирования. Способ может быть, например, применен для протаивания грунтов для всего свайного поля.