Результат интеллектуальной деятельности: СВАЯ СТАЛЬНАЯ СО ВСТРОЕННЫМ СЕЗОННЫМ ОХЛАЖДАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям свай для грунтов, характеризующихся наличием процесса морозного пучения грунта.

При строительстве фундаментов в многолетнемерзлых грунтах остро стоит вопрос борьбы с сезонными пучениями фундаментов. Решение этой проблемы достигается применением стальных винтовых или гладких свай совместно с сезонными охлаждающими устройствами (СОУ). При этом СОУ устанавливаются в непосредственной близости от несущей стальной сваи. СОУ содержат в своей внутренней полости хладагент, а также зону испарения, транспортную зону и зону конденсации. В расположенной в нижней части СОУ зоне происходит испарение хладагента, сопровождающееся понижением температуры, что вызывает промораживание грунта вокруг нижней части СОУ. После испарения пары хладагента поднимаются по транспортной зоне, находящейся в деятельном слое грунта, в верхнюю часть СОУ, которая находится над поверхностью грунта, где и расположена зона конденсации. В зоне конденсации происходит переход хладагента из газообразного состояния в жидкое, и хладагент в жидкой фазе стекает под действием гравитации в нижнюю часть СОУ. Этот процесс происходит до тех пор, пока отрицательных температур воздуха хватает для конденсации хладагента. При превышении температуры воздуха выше этого значения работа СОУ прекращается. Таким образом, СОУ работают в холодный период года, перенося холод из атмосферы в грунт. В результате в нижней части сваи вокруг зоны испарения СОУ в течение холодного периода года формируется некоторый объем промороженного до значительных минусовых температур грунта, в который вморожена нижняя СОУ и нижняя часть защищаемой им несущей сваи. Для устойчивости фундамента к пучениям отрицательные температуры в этом объеме грунта должны сохраняться в течение всего теплого периода года, вплоть до наступления отрицательных температур, необходимых для начала работы СОУ в следующем холодном сезоне.

В патентной литературе описано достаточно много различных решений по использованию СОУ для свай, монтируемых в многолетнемерзлых грунтах.

В патент US 3828845 описана опорная конструкция (в частном случае трубчатая свая), нижняя часть которой устанавливается в замороженного грунте, выполненная из хорошо теплопроводящего материала, содержащая охлаждающий элемент в виде тепловой трубы с относительно небольшим количеством рабочей жидкости в нем, нижняя часть указанного элемента устанавливается в полости опорной конструкции, верхняя часть указанного элемента выполнена с возможностью соединения с теплообменником.

В US 4036286 описана опорная конструкция в форме трубчатой оболочки, устанавливаемой в мерзлых грунтах, и сопряженного с ней снаружи трубчатого элемента охлаждающего устройства. Подземная часть оболочки предпочтительно имеет множество ребер для отвода тепла, а трубчатый элемент охлаждающего устройства имеет участок с радиатором, выступающим над грунтом. Рабочая жидкость охлаждающего устройства предпочтительно представляет собой жидкую смесь воды и этиленгликоля.

Свайная опора по патенту RU 2250302 содержит железобетонный или металлический вертикальный трубчатый ствол с горизонтальной опорной площадкой, расположенной над поверхностью грунта, и охлаждающее устройство в виде двух тепловых труб. Последние имеют одинаковые транспортные зоны и зоны испарения, расположенные внутри трубчатого ствола симметрично относительно его оси, и зоны конденсации. При этом зоны испарения обеих тепловых труб соединены своими нижними частями, а зоны конденсации расположены наклонно над поверхностью грунта под горизонтальной опорной площадкой сваи.

В патенте RU 84404 описана охлаждаемая свайная опора, содержащая частично заглубленный в грунт металлический или железобетонный ствол, снабженный со стороны верхнего торца опорной площадкой, а также охлаждающее устройство сезонного действия и емкость с аккумулирующим холод веществом, данная емкость выполнена из эластичного материала и размещена вне указанного ствола в выполненной в грунте закрытой сверху вертикальной скважине с прилеганием к ее стенкам, а охлаждающее устройство сезонного действия выполнено в виде одной или нескольких размещенных вне указанного трубчатого ствола вертикально ориентированных гравитационных тепловых труб с зонами испарения и конденсации и размещенной между ними транспортной зоной, причем зона испарения каждой из этих тепловых труб находится ниже, а зона конденсации - выше поверхности грунта.

Свайная опора по авторскому свидетельству SU 630337 выполнена в виде частично заглубленного в грунт трубчатого ствола, закрытого с обоих торцов, верхний из которых является опорной площадкой. Указанный трубчатый ствол заправлен хладагентом и функционирует как тепловая труба с зонами испарения, транспортной зоной и зоной конденсации, расположенными вдоль трубчатого ствола по его высоте. В заглубленной части трубчатого ствола с зазором относительно внутренней поверхности его стенки размещена емкость с аккумулирующим холод веществом. В качестве аккумулирующего холод вещества использован глинистый грунт.

Конструктивно СОУ представляют собой герметичные трубы малых диаметров, заполненные хладагентом, с размещенным в верхней части радиатором охлаждения. При установке СОУ необходимо обеспечить расположение радиатора охлаждения выше уровня снегового покрова, т.к. в случае нахождения радиатора охлаждения под снегом работа СОУ прекращается.

Подобная конструкция СОУ определяет ряд неудобств, связанных с их монтажом и эксплуатацией. Во-первых, СОУ изготавливаются из труб малых диаметров - от 25 до 33 мм, имея при этом значительную длину - до 12 м. При таком соотношение диаметра и длины СОУ представляет собой очень гибкую конструкцию, что требует осторожного обращения с СОУ при выполнении погрузо-разгрузочных и монтажных работ, в противном случае возможно повреждение СОУ. После монтажа верхняя часть СОУ выступает над поверхностью земли на значительную высоту, что, учитывая малые поперечные размеры СОУ, и, следовательно, их плохую заметность, создает предпосылки для повреждения СОУ машинами и механизмами как в период строительства объектов, так и в период их эксплуатации.

Известные решения не могут рассматриваться как отвечающие современным требованиям по возведению свайного фундамента в условиях мерзлых грунтов (конструкции свай либо полые, либо выполнены из монолитного железобетона). Для обеспечения несущей способности свай необходимо предотвращение эрозии вечной мерзлоты. Для решения этой задачи полости свайных фундаментов согласно действующим нормативным документам должны заполняться после их установки цементными растворами. Учитывая специфику строительства в условиях вечной мерзлоты, когда строительство ведется большей частью в зимний период при отрицательных температурах воздуха, проблематично обеспечить выполнение этого типа работ для полых свай. Кроме того, независимо от типа сваи установка СОУ как дополнительного устройства вызывает сложности как в период монтажа, так и в период эксплуатации.

В настоящее время при строительстве зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты в качестве фундаментов широко используются сваи, выполненные из стальных труб, в том числе винтовые. Так как учитывая специфику строительства в условиях вечной мерзлоты, когда строительство ведется большей частью в зимний период при отрицательных температурах воздуха, то для обеспечения несущей способности свай и предотвращения эрозии вечной мерзлоты был разработан новый тип свай, описанный в патенте RU 89539.

В этом патенте с целью решения указанной проблемы предлагается полное заполнение полости свай, выполненных из стальных труб, в том числе винтовых, по всей их высоте любыми пенными наполнителями, например такими как пенобетон, пенополистирол, вспененный пенополистирол, пенополистиролбетон, пенополиуретан, пеноплекс или любые другие аналогичные наполнители. Поскольку внутренняя полость сваи не подвержена никаким механическим нагрузкам, никаких требований к прочности материала-заполнителя не предъявляется. Единственное требование к материалу-заполнителю - низкая теплопроводность, низкое водопоглощение и удельный вес, что и обеспечивают пеноматериалы.

Такая свая представляет собой вытянутое по длине тело вращения типа трубы постоянного или переменного сечения, полость которой заполнена пенным наполнителем, типа пенобетона, или пенополистирола, или вспененного пенополистирола, или пенополистиролбетона, или пенополиуретана, или пеноплекса, или твердым наполнителем из вспененных материалов, при этом полость трубы заполнена наполнителем по всей высоте сваи (принято в качестве прототипа).

Эта свая по своей конструкции полностью отвечает современным требованиям, предъявляемым в строительству свайных конструкций в условиях промерзающего грунта. Однако такие сваи редко используются при строительстве фундаментов в многолетнемерзлых грунтах с сезонными пучениями фундаментов из-за отсутствия или сложности установки сезонных охлаждающих устройств (СОУ).

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной долговечности за счет исключения возможности повреждения СОУ и упрощении конструкции стальной сваи без наполнителя и с наполнителем при использовании СОУ без радиатора охлаждения.

Указанный технический результат достигается тем, что свая стальная со встроенным сезонным охлаждающим устройством, представляющая собой вытянутое по длине трубчатой формы тело вращения постоянного или переменного сечения, оснащена сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения, при этом 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.

Указанный технический результат достигается тем, что свая стальная со встроенным сезонным охлаждающим устройством, представляющая собой вытянутое по длине трубчатой формы тело вращения постоянного или переменного сечения, оснащена сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения, при этом 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, при этом в зоне испарения и в зоне конденсации стальной трубы трубчатой формы тело вращения заполнено теплопроводящими материалом или жидкостью или гелем или отверждаемыми теплопроводящими составами или их смесями, а на участке между зонами испарения и конденсации трубчатой формы тело вращения выполнено полым.

Указанный технический результат достигается тем, что свая стальная со встроенным сезонным охлаждающим устройством, представляющая собой вытянутое по длине трубчатой формы тело вращения постоянного или переменного сечения, оснащена сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы диаметром, меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения, при этом 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, при этом в зоне испарения и в зоне конденсации стальной трубы трубчатой формы тело вращения заполнено теплопроводящими материалом или жидкостью, или гелем, или отверждаемыми теплопроводящими составами или их смесями, а на участке между зонами испарения и конденсации трубчатой формы тело вращения заполнено теплоизолирующим материалом.

Указанные признаки являются существенными и достаточными для получения требуемого технического результата.

Изобретение поясняется фиг. 1-6:

фиг. 1 - полая стальная свая со встроенным СОУ, первый вариант исполнения;

фиг. 2 - поперечное сечение сваи по фиг. 1;

фиг. 3 - частично заполненная стальная свая со встроенным СОУ, второй вариант исполнения;

фиг. 4 - поперечное сечение сваи по фиг. 3;

фиг. 5 - заполненная стальная свая с СОУ, третий вариант исполнения;

фиг. 6 - поперечное сечение сваи по фиг. 5.

Предлагается конструкция гладкой или винтовой стальной сваи для многолетнемерзлых грунтов с вмонтированным внутрь сваи СОУ. Размещение СОУ внутри несущей стальной сваи обеспечивает его защиту при транспортировке и выполнении погрузо-разгрузочных и монтажных работ, а также исключает повреждение СОУ в результате наезда транспортных средств и строительных механизмов. Кроме этого, упрощается конструкция самого СОУ, т.к. при размещение СОУ внутри стальной сваи исключается необходимость в радиаторе охлаждения в силу того, что находящаяся над землей верхняя часть стальной сваи обладает достаточно большой теплоемкостью, достаточной для конденсации хладагента в холодное время года. Кроме этого, как правило, стальная свая через фланец соединяется с некоторой стальной строительной конструкцией, которая дополнительно увеличивают отвод тепла от верхней части сваи в холодный период. Таким образом, СОУ, предназначенный для монтажа внутрь стальной сваи, может выполняться без радиатора и представлять из себя обычную стальную трубу малого диаметра, заполненную хладагентом. Исполнение СОУ без радиатора снизит его стоимость и исключит затраты на транспортировку и монтаж СОУ на объекте строительства.

По первому варианту исполнения (фиг. 1 и 2) свая стальная (гладкая или с винтовая) представляет собой вытянутое по длине трубчатой формы тело 1 вращения постоянного или переменного сечения. Свая оснащена сезонным охлаждающим устройством, выполненным в виде заполненной хладагентом стальной трубы 2 диаметром меньшим внутреннего диаметра трубчатой формы тела вращения. Указанная стальная труба 2 размещена в полости трубчатой формы тела вращения с плотным примыканием ее частей, относящихся к зонам испарения 3 и конденсации 4, к внутренней стенке трубчатой формы тела вращения.

СОУ в своих нижней и верхней частях, соответствующих зонам испарения и конденсации, фиксируется внутри сваи любым способом, обеспечивающим его плотное прилегание к стенке сваи с тем, чтобы была обеспечена теплопередача между телом СОУ и стенкой сваи. Стальная свая при этом может выполняться полой.

По второму варианту исполнения (фиг. 3 и 4), повторяющему конструкцию сваи по первому исполнения, свая выполняется частично заполненной. Частично заполненная свая в зоне испарения 3 и в зоне конденсации 4 СОУ заполняется любыми фрагментированными или порошковыми теплопроводящими твердыми материалами 5, или незамерзающими теплопроводящими жидкостями, или гелями, или отверждаемыми теплопроводящими составами или их смесями (например, бетоном или цементным раствором, в т.ч. с наполнителями, повышающими их теплопроводность), а в транспортной зоне 6 СОУ свая выполняется полой.

Полностью заполненная свая (фиг. 5 и 6, третий вариант исполнения) для повышения теплопередачи, а следовательно, и эффективности работы СОУ, в зоне испарения и в зоне конденсации СОУ заполняется любыми фрагментированными или порошковыми теплопроводящими твердыми материалами 5, или незамерзающими теплопроводящими жидкостями, или гелями, или отверждаемыми теплопроводящими составами или их смесями (например, бетоном или цементным раствором, в т.ч. с наполнителями, повышающими их теплопроводность), а в транспортной зоне СОУ - любыми теплоизолирующими материалами 7.

Для контроля температуры в нижней части сваи может быть вмонтирован температурный датчик, провода от которого выведены в верхнюю часть сваи для подключения измерительных устройств.

СОУ содержит в своей внутренней полости хладагент, а также зону испарения, транспортную зону и зону конденсации. В расположенной в нижней части СОУ зоне происходит испарение хладагента, сопровождающееся понижением температуры, что вызывает промораживание грунта вокруг нижней части СОУ. После испарения пары хладагента поднимаются по транспортной зоне, находящейся в деятельном слое грунта, в верхнюю часть СОУ, которая находится над поверхностью грунта, где и расположена зона конденсации. В зоне конденсации происходит переход хладагента из газообразного состояния в жидкое, и хладагент в жидкой фазе стекает под действием гравитации в нижнюю часть СОУ. Этот процесс происходит до тех пор, пока отрицательных температур воздуха хватает для конденсации хладагента. Таким образом, СОУ работают в холодный период года, перенося холод из атмосферы в грунт. В результате в нижней части сваи вокруг зоны испарения СОУ в течение холодного периода года формируется некоторый объем промороженного до значительных минусовых температур грунта, в который вморожена нижняя СОУ и нижняя часть защищаемой им несущей сваи.