Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В регионах распространения многолетнемерзлых грунтов проблема стабилизации температурного режима грунтов оснований площадок строительства всегда имеет большую актуальность. В процессе подготовки площадки и обустройства нулевого цикла происходит нарушение температурного режима грунтов, и последующая его естественная стабилизация либо занимает продолжительное время, либо не дает необходимого результата, то есть в итоге температура грунта не достигает проектных значений. Особенно актуальной данная проблема становится на фоне наблюдающихся в последнее время изменений климата и криолитозоны. Многие исследователи в последнее время отмечают повышение температуры вечномерзлых грунтов в различных регионах и связывают его с повышением климатических температур и изменением режима осадков [1–3].

Для обеспечения необходимой несущей способности грунтов оснований и повышения расчетной нагрузки все чаще требуются мероприятия по принудительному понижению температуры грунтов. При этом широко применяемый настоящий метод охлаждения с помощью парожидкостных термостабилизаторов или, как их еще называют, сезонно действующих охлаждающих устройств [4], при всей его эффективности, требует продолжительного времени действия, зависим от сезона и значительно увеличивает сроки строительства, что в ряде случаев неприемлемо. Поэтому в настоящее время остро стоит необходимость применения технологий быстрой заморозки грунта, не зависящих от сезона.

Известен метод быстрого охлаждения, при котором в качестве охлаждающего вещества – криоагента применяется твердый диоксид углерода (сухой лед) [5]. Данный метод часто используют при подземном строительстве для быстрой заморозки, образования так называемого ледогрунтового ограждения со средней температурой около -10 – -25 °С и обеспечения стабильного монолитного состояния грунтов в процессе строительства. Для этого в грунтовом массиве обустраивается поле охлаждающих скважин, в каждую из которых в ходе процесса постоянно загружается криоагент (в виде гранул, кусков или снега). Твердый диоксид углерода сублимируется, испаряясь, при температуре выше -78,5 °С, и данный процесс требует удельных затрат тепловой энергии порядка 600 кДж/кг [6].

В результате теплового взаимодействия криоагента с грунтом происходит его охлаждение и заморозка. Процесс заморозки при этом занимает примерно от 5 до 15 суток, количество охлаждающих скважин исчисляется десятками штук, а расход сухого льда исчисляется тоннами [7, 8].

Целью проведенного исследования являлась оценка применимости данного метода для понижения температур грунтов оснований в условиях вечной мерзлоты Якутии.

Цель исследования – оценка эффективности и перспективности метода быстрой заморозки грунта с применением твердого диоксида углерода (сухого льда) для понижения температуры грунтовых оснований в условиях вечномерзлых грунтов Республики Саха (Якутия).

Материалы и методы исследования

Для проведения натурного эксперимента был оборудован полигон на одной из площадок строительства в г. Якутске с установленными сваями СМ12-40-85 длиной 12 м, заглубленных на 9 м (рис. 1). Расчетная нагрузка на сваи составляет 150–170 т. На расстоянии 300 мм от средней сваи была установлена охлаждающая скважина, обсаженная металлической трубой внутренним диаметром 100 мм, глубиной 9 м.

Термометрические скважины, расположенные на расстоянии 750 и 1500 мм, изготовлены из полипропиленовой трубы диаметром 40 мм, глубиной 10 м. Термометрическая скважина, расположенная на расстоянии 1700 мм, изготовлена из стальной трубы диаметром 50 мм, глубиной 10 м.

Рис. 1. Схема расположения охлаждающей трубки (1) и термотрубок (2, 3) относительно испытуемой сваи

В качестве криоагента был взят сухой лед, производимый на станции Якутская ТЭЦ из сжиженного углекислого газа. Загрузка криоагента производилась на высоту 3–4 м от дна скважины, примерная масса одной загрузки составляла 20 кг.

Грунты оснований (табл. 1) представлены засоленными суглинками влажностью 0,3–0,4 д. ед. (до глубины 1,5 м), засоленными песками пылеватыми влажностью 0,3 д. ед. (1,5–3 м), песками слабольдистыми влажностью 0,3 д. ед. (от 3 м и глубже).

В ходе эксперимента производилась регистрация температур в термометрических скважинах, температуры и высоты столба сухого льда в охладительной скважине (рис. 2). Регистрация температуры в термометрических скважинах производилась с помощью многозонных датчиков температуры с радилоггерами производства АО НПП «Эталон», г. Омск. Температура в охлаждающей скважине контролировалась с применением преобразователя сигналов «Теркон», производства «Термэкс» (г. Томск).

Таблица 1

Характеристика грунтов на площадке

Рис. 2. Процесс проведения эксперимента

Рис. 3. Данные замеров высоты загрузки сухого льда в охлаждающей скважине

Таблица 2

Этапы загрузки криоагента в охладительную скважину

Результаты исследования и их обсуждение

Охлаждающее воздействие производилось в течение 4 суток, всего было загружено около 100 кг в 5 этапов. На рис. 3 представлены результаты замеров столба сухого льда в охлаждающей скважине.

Разница в высоте столба сухого льда в скважине объясняется большой разницей в плотности криоагента. Масса использованного криоагента и время загрузок представлены в табл. 2.

В целом кривую расхода сухого льда по времени можно аппроксимировать в виде полинома третьего порядка (красная линия на рис. 4).

Регистрация температуры грунта проводилась в течение охладительного воздействия и далее в общей сложности в течение 15 суток.

Анализ данных регистрации температуры грунта (рис. 5, 6) показывает, что пик воздействия на расстоянии 750 мм от охлаждающей скважины приходится на 4 сутки после начала охлаждения, максимальное понижение температуры в этот момент составило 0,88 °С. Затем, после прекращения охлаждающего воздействия максимальная разница температур к моменту завершения наблюдений составляет 0,35 °С. К завершению замеров устойчивое понижение температуры наблюдается на глубинах от 6 до 10 м. Среднее значение понижения температуры на данном диапазоне составляет 0,28 °С.

На расстоянии 1500 мм максимальное изменение температуры на глубине 9 м (-0,25 °С) устанавливается на 8 сутки после начала охлаждения и далее остается практически неизменным. К завершению замеров устойчивое снижение температуры грунта здесь наблюдается на глубинах от 7 до 10 м и составляет в среднем составило 0,1 °С.

Рис. 4. Кривая расхода сухого льда

Рис. 5. Изменение температуры на различной глубине по времени на расстоянии 750 мм от охладительной скважины

Рис. 6. Профили температуры грунта на расстоянии 750 мм от охлаждающей скважины (а) и на расстоянии 1500 мм от охлаждающей скважины (б)

Заключение

Технология охлаждения грунта с применением в качестве криоагента твердого диоксида углерода используется в основном для быстрой заморозки грунта и образования низкотемпературных ледогрунтовых ограждений и слоев при строительстве подземных сооружений и коммуникаций (подземные автостоянки, инфраструктура метрополитена, коллекторы).

Как показывают данные, полученные в ходе натурного эксперимента, в условиях Якутска испытуемая технология для целей понижения температуры грунтов оснований, даже при использовании единичной охлаждающей скважины на протяжении непродолжительного времени воздействия (4 суток), дает неплохой результат. Температурный режим грунтов Якутии характеризуется более низкими значениями в отличие от высокотемпературных грунтов регионов применения данной технологии (с температурой порядка +10 °С) и при заморозке талых грунтов основной расход сырья идет на обеспечение фазового перехода поровой влаги. В случае охлаждения уже мерзлого грунта расход криоагента будет относительно низким, но при наличии талых зон в охлаждаемом массиве расход криоагента будет значительно увеличиваться.

Таким образом, можно сделать вывод, что испытанный метод является перспективным для быстрого восстановления нарушенного в ходе строительных работ температурного режима грунта в условиях Республики Саха (Якутия). На данный момент основным ограничивающим фактором для применения данной технологии на сегодняшний день является дороговизна и ограниченный объем производства твердого диоксида углерода у местных поставщиков.