Результат интеллектуальной деятельности: Способ установки термостабилизаторов в проветриваемом подполье эксплуатируемых зданий

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации зданий в районах со сложными инженерно-геокриологическими условиями, а именно к термостабилизации многолетнемерзлых и слабых грунтов.

Известно, что при строительстве капитальных сооружений на вечномерзлых грунтах необходимо применять специальные меры по сохранению их температурного режима в течение всего периода эксплуатации и предотвращению разупрочнения несущих оснований при их оттаивании. Обычно основания зданий включают свайный фундамент и имеют проветриваемое подполье (Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат (Ленинградское отделение), 1977, с. 551). При этом охлаждение и стабилизация грунта происходят за счет естественной циркуляции воздуха. Такой способ имеет невысокую эффективность, зависит от сезонно-климатических условий, разветвленности коммуникаций и т.д.

Наиболее эффективным методом является расположение в основании сооружения стабилизаторов пластично-мерзлого грунта (СПМГ), которые содержат систему труб, заполненных хладагентом и соединенных с конденсаторной частью (РФ №93045813, РФ №2002121575, РФ №2384672, РФ №2157872). Обычно установку СПМГ проводят до строительства сооружений: готовят котлован, отсыпают песчаную подушку, монтируют термостабилизаторы, производят отсыпку грунта и устанавливают слой теплоизоляции (Журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов, №6, 2007, стр. 24-28). При этом могут использоваться термостабилизаторы различных типов, работающих в разных режимах, например, предварительно осуществляют активную заморозку грунта и в последующем поддерживают требуемую температуру (РФ №2039861). После завершения строительства сооружения контроль работы термостабилизатора и ремонт отдельных их частей сильно затруднен, что требует дополнительного резервирования охлаждающих труб (Журнал «Газовая промышленность», №9, 1991, стр. 16-17). К общим недостаткам описанных способов термостабилизации грунтов относятся: низкая ремонтопригодность, ограниченный срок эксплуатации, определяемый сроком работы термостабилизаторов; высокий расход материалов за счет дублирования систем.

Для уменьшения трудозатрат, связанных с дополнительным размещением системы охлаждения, могут использовать совмещение термостабилизаторов с несущими элементами конструкции, так называемые термосваи (РФ №2256746, РФ №2250302, РФ №2384671, РФ №139080, РФ №2149239). Обычно свайная опора содержит вертикальный трубчатый ствол с горизонтальной опорной площадкой, расположенной над поверхностью грунта, и охлаждающее устройство в виде тепловой трубы. Транспортная зона и зона испарения тепловой трубы выполнены внутри вертикального железобетонного трубчатого ствола, а зона конденсации расположена наклонно над поверхностью грунта под горизонтальной опорной площадкой и выполнена в виде симметрично изогнутой трубы. Могут также использоваться сваи специальной конструкции с термоизолирующей и защитной оболочкой, намороженными элементами и т.д. (например, РФ №2348759). Ограничения в применении таких конструкций связаны с низкой ремонтопригодностью и ограниченным сроком эксплуатации, кроме того, они отличаются относительно невысокой эффективностью термостабилизации за счет значительной толщины стенок, определяемой прочностным требованиям к силовым элементам конструкции. Зона охлаждения локализована вблизи свай, что в целом снижает надежность таких оснований.

Для улучшения ремонтопригодности термостабилизаторов предлагается устанавливать их под небольшим углом к поверхности в насыпном основании под фундаментом сооружения (РФ №2454506, РФ №2157872, РФ №83779). Например, термостабилизаторы размещают внутри защитных труб с одним заглушенным торцом, заполненных жидкостью с высокой теплопроводностью (РФ №2157872). Защитные трубы располагают под отсыпкой грунта и слоем теплоизоляции с уклоном 0-10° к продольной оси основания. Открытый торец трубы выведен за пределы контура отсыпки грунта. Такая конструкция позволяет в случае нарушения герметичности, деформации или при других дефектах охлаждающих труб извлекать их, производить текущий ремонт и устанавливать обратно. Известен способ температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов, включающий прохождение сквозной скважины в основании, протяжку в направлении, обратном направлению проходки скважины термостабилизатора, который содержит заправленные хладагентом трубы конденсатора и испарителя, соединенные сильфонными рукавами, которые укреплены бандажами (РФ №2454506). Трубы конденсатора расположены по краям термостабилизатора и на каждой из труб конденсатора монтируют охлаждающие элементы.

Ограничения применения этих методов определяются предварительной подготовкой отсыпного основания до возведения сооружений. Используются они в основном для насыпных оснований дорог, легких технических сооружений, площадок и т.д. Кроме того, такое расположение термостабилизаторов может приводить к вспучиванию грунта. Выведение охлаждающих элементов термостабилизаторов наружу здания сильно загромождает прилегающую территорию и может приводить к их повреждению в процессе эксплуатации (особенно это актуально для жилого фонда).

Для термостабилизации грунта в основании уже возведенных сооружений используют установку вертикальных термостабилизаторов по контуру фундамента здания. Например, известен способ исправления положения здания или сооружения, подвергшегося неравномерному морозному пучению (РФ №2164275). Способ включает размещение термоэлементов вокруг свайного фундамента здания и последующее поочередное замораживание и оттаивание грунта, которое осуществляют в пределах слоя сезонного промерзания грунта вокруг свай, выпученных на величину, не превышающую разность максимальной и минимальной величин выпучивания свай фундамента. Вокруг свай, выпученных на величину, превышающую вышеупомянутую разность, осуществляют замораживание грунта ниже глубины его сезонного промерзания с защемлением нижних концов этих свай в промороженном грунте для исключения их дальнейшего выпучивания. После выравнивания положения здания его фиксируют.

Известен способ сохранения мерзлоты в течение всего сезонно-годового цикла (РФ №2006111380). Способ предусматривает дополнительное искусственное охлаждение окружающего фундамент грунта в пределах слоя сезонного промерзания, которое осуществляют с помощью сезонно действующих охлаждающих устройств, устанавливаемых по периметру фундамента на расстоянии, не превышающем его ширину, с заглублением грунтового теплообменника до глубины сезонного промерзания грунтов от дневной поверхности. К недостаткам описанного способа относятся ограниченность зоны промораживания, трудности в долговременной стабилизации всего массива грунта в основании здания, что может приводить к локальным пучениям; ограничения, накладываемые на размер фундамента, позволяющий эффективно стабилизировать грунт под ним. Кроме того, наружное расположение термостабилизаторов также загромождает прилегающую территорию.

Настоящее изобретение направлено на устранение описанных выше недостатков. Описываемый способ позволяет упростить процедуру монтажа термостабилизаторов под эксплуатируемым зданием, улучшить ремонтопригодность системы охлаждения грунта и упростить ее обслуживание. Техническим результатом его применения будет увеличение несущей способности грунтов основания за счет их охлаждения по всей площади проветриваемого подполья эксплуатируемого здания при одновременном уменьшении количества используемых термостабилизаторов и освобождение прилегающей территории за счет размещения охлаждающих элементов в проветриваемом подполье.

Заявленный технический результат достигается тем, что способ установки термостабилизаторов в проветриваемом подполье эксплуатируемых зданий включает:

- бурение, по крайней мере, одной вертикальной скважины в проветриваемом подполье без нарушения перекрытия здания;

- установку в скважине термостабилизатора, содержащего заправленную хладагентом трубу испарителя, конденсатор, причем труба выполнена с возможностью изгиба, радиус которого не превышает высоту проветриваемого подполья;

- глубина установки термостабилизатора при этом такова, что конденсатор расположен выше уровня грунта в проветриваемом подполье.

Высота подполья в эксплуатируемых зданиях обычно составляет величину от 0,7 до 1,7 м. Бурение скважин под термостабилизаторы осуществляют преимущественно с использованием малогабаритных буровых станков. Если высота подполья меньше габаритов бурового станка в рабочем положении, то в соответствующем месте подполья отрывается шурф достаточных размеров для его размещения. После завершения всех работ шурф засыпается.

В заявляемом изобретении используют термостабилизаторы из легко деформируемых сплавов (например, алюминиевых). Такие термостабилизаторы представляют собой цельнотянутую трубу с одним швом в месте соединения оребренного конденсатора с транспортной зоной. На место монтажа их доставляются в виде бухт и, постепенно разворачивая, погружают в скважину. Эти термостабилизаторы отличает надежность (отсутствие швов ниже уровня грунта, по которым обычно и происходит разгерметизация) и высокая ремонтопригодность.

В настоящем изобретение могут также использоваться термостабилизаторы любых других конструкций, обеспечивающих заявленный технический результат. Например, это может быть термостабилизатор с сильфонными соединениями, аналогичный описанному в патенте РФ 2387937.

При необходимости конденсатор могут выносить из подполья за габариты здания. Например, при низкой высоте подполья и недостаточной интенсивности естественной циркуляции воздушных масс в подполье.

При осуществлении способа в зависимости от состояния грунтов под зданием после бурения скважины в ее устье могут устанавливать кондуктор, через который заводят трубу термостабилизатора.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими фигурами чертежей:

На Фиг. 1 представлена схема установки термостабилизатора в высоком подполье;

На Фиг. 2 представлена общая схема размещения системы термостабилизации грунта;

На Фиг. 3 представлена схема установки термостабилизатора в низком подполье.

Примеры реализации

Пример 1.

Осуществление заявляемого способа проводилось для эксплуатируемого здания в условиях Крайнего Севера (Фиг. 1, 2). Здание 1 располагалось на сваях 2 с образованием проветриваемого подполья 3 высотой 1.8 м. После проведения первичных изысканий размечались места 4 в проветриваемом подполье для бурения скважин и монтажа необходимого количества термостабилизаторов 5. Для бурения скважин использовалась установка 6 малогабаритная буровая УКБ-12/25. Параметры установки: глубина бурения - 15 м; мощность двигателя 3 кВт; габаритные размеры - 1375×1062×2000 мм. Размеры установки 6 позволяли устанавливать ее в рабочее положение в проветриваемом подполье 3. Глубина бурения соответствует длине термостабилизатора. В готовой скважине 7 размещался термостабилизатор 5, имеющий испаритель 8 длиной 14,2 м при диаметре трубы 38 мм. Конденсатор 9 термостабилизатора высотой 1,3 м и с диаметром ребра 82 мм размещался выше уровня грунта в подполье. Общая схема размещения системы термостабилизации грунта представлена на Фиг. 2. Термостабилизаторы 5 размещались около несущих свай 2 на расстоянии, не превышающем радиус промораживания грунта.

Такой способ монтажа охлаждающих устройств сократил сроки их установки и позволил стабилизировать грунты основания по всей площади здания в течение всего периода эксплуатации здания.

Пример 2.

Аналогично заявленный способ осуществляется и для зданий с низким проветриваемым подпольем (Фиг. 3). Высота проветриваемого подполья 3 эксплуатируемого здания 1 не превышает 1 м. Используется установка 6 буровая КМ-10. Параметры установки 6: глубина бурения - 10 м; мощность двигателя 3,6 кВт; диапазон углов наклона вращателя - 45-90°; габаритные размеры - 595×525×1340 мм. Для ее размещения в рабочем положении в соответствующем месте роется шурф 10 размерами 1×1×0,5 м. Применяемый термостабилизатор 5 аналогичен описанному выше. Для его заведения в случае слабых грунтов используется кондуктор 11, размещаемый в устье скважины 7. Конденсатор 9 загибается под некоторым углом к оси испарителя 7, чтобы разместиться по высоте проветриваемого подполья 3. После установки термостабилизатора шурф заполняется отсыпкой 12.

Результаты монтажа охлаждающих устройств аналогичны описанным в предыдущем примере.

Настоящее изобретение не ограничивается только приведенными примерами, при осуществлении способа установки термостабилизаторов в проветриваемом подполье эксплуатируемых зданий могут быть использованы любые буровые установки, термостабилизаторы и прочие устройства, позволяющие достичь заявляемого технического результата.