Способ повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне

 

Изобретение относится к проектированию, строительству и эксплуатации фундаментов сооружений в условиях криолитозоны. Способ повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне включает размещение теплоизоляционного экрана на поверхности грунтового основания и расчет необходимых его параметров. Новым является то, что теплоизоляционный экран размещают на поверхности и внутри грунтового основания, его размеры, геометрическую конфигурацию, а также теплофизические свойства материала, имеющие пространственную анизотропию, определяют из условий совпадения проектируемого температурного поля, обеспечивающего устойчивость сооружения в течение всего периода эксплуатации, и расчетного температурного поля, полученного путем решения методом конечных разностей нестационарного двумерного неоднородного уравнения теплопроводности в прямоугольных координатах для анизотропной среды с наличием в ней подвижной границы раздела фаз и представляющей собой инженерно-геологический разрез грунтов основания, вмещающего проектируемый теплоизоляционный экран, и прилегающей к нему территории строительства. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении устойчивости свайных фундаментов за счет уменьшения мощности слоя сезонного оттаивания - промерзания грунтов без смещения общего уровня теплового баланса грунта. 7 ил.

Изобретение относится к области проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов сооружений в условиях криолитозоны.

Определяющее влияние на несущую способность свайного фундамента в криолитозоне и его устойчивость по отношению к касательным силам морозного пучения, возникающим в сезонно-талом или сезонно-мерзлом слое, оказывает величина сил смерзания сваи с грунтом и величина касательных сил морозного пучения, которые, в свою очередь, в значительной степени определяются температурами мерзлых грунтов в интервале заложения свай и мощностью сезонно- талого или сезонно-мерзлого слоя.

При отсутствии специальных технических средств, управляющих тепловым режимом грунтов оснований, формирование сезонно-талого или сезонно-мерзлого слоя большой мощности, особенно в условиях техногенных насыпей, растепление мерзлых грунтов ниже глубины сезонно-талого слоя под тепловым воздействием свай большого диаметра, формирование "карманов" оттаивания в зоне контакта сваи с мерзлым грунтом, приводит к тому, что несущая способность и устойчивость к воздействию касательных сил морозного пучения свайного фундамента снижаются, а величина самих сил возрастает.

Известен способ, повышающий устойчивость свайного фундамента, заключающийся в увеличении глубины заложения фундамента при новом строительстве. Это позволяет обеспечить превышение сил, удерживающих сваю в грунте основания над касательными силами морозного пучения, возникающими в сезонно-талом или сезонно-мерзлом слое [Строительные нормы и правила. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. СНиП 2.02.02-88, М., Госстрой СССР, 1990, с. 1] .

Недостатком этого способа является то, что в условиях реконструкции зданий и сооружений, решение проблемы, предусматривающее увеличение глубины заложения свай фундамента, в большинстве случаев нецелесообразно по экономическим соображениям или вообще невозможно.

Известен способ снижения воздействия касательных сил морозного пучения на свайный фундамент, в котором применяются специальные конструкции типа "труба в трубе" с межтрубным заполнителем в виде смазки и различные противопучинные обмазки поверхности верхнего конца сваи [Проектирование объектов промышленного и гражданского назначения Западно-Сибирского нефтегазового комплекса. РСН 68-87. М., Государственный комитет по строительству РСФСР, 1987, с. 21-35].

Недостатком этого способа является то, что снижающие воздействие касательных сил морозного пучения и противопучинные обмазки свай приводят к снижению несущей способности сваи, обусловленному исключением из работы боковой поверхности сваи в верхней ее части. Возникают дополнительные технологические процессы при выполнении свайных работ. Конструкции типа "труба в трубе" не всегда эффективно работают вследствие изменения свойств межтрубного заполнителя в процессе эксплуатации Известен способ, обеспечивающий понижение среднегодовых температур грунтов посредством применения различных типов жидкостных и парожидкостных сезонно действующих охлаждающих устройств. [Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезонно- действующих охлаждающих устройств, Под ред. д-ра техн. наук С.С: Вялова. - Якутск, ИМ СО АН СССР, 1983. - с. 95].

Недостатком этого способа является высокая стоимость сезонно охлаждающих устройств и их размещения, что не позволяет применять последние повсеместно.

Известен способ расчета необходимых параметров теплообмена в грунтах основания, основанный на приближенных формулах Стефана, Лейбензона, Лукьянова, Кудрявцева для определения глубины сезонного промерзания - оттаивания пород [Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. Под ред. В.А. Кудрявцева. М., Из-во Московского университета, 1974, с. 96-118]. Эти формулы основаны на решении нестационарного одномерного уравнения теплопроводности с подвижной границей раздела фаз и обеспечивают расчет искомой величины при заданных параметрах теплообмена на поверхности Земли, например, температуры под однородным поверхностным теплоизоляционным экраном фиксированной мощности и теплофизических свойств инженерно-геологического разреза.

Недостатком указанного способа является использование для расчета одномерного уравнения, не позволяющего реализовать расчет для теплоизоляционного слоя ограниченных размеров и обладающего анизотропией свойств. Кроме этого, способ не позволяет рассчитывать температуру на глубине нулевых среднегодовых колебаний температуры.

Известны способы (приближенные формулы, палетки) для определения многолетних теплооборотов, глубин многолетнего промерзания-оттаивания пород, прогноза изменения температурного режима грунтов оснований сооружений [Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. Под ред. В. А. Кудрявцева. М., Из-во Московского университета, 1974, с. 131-177]. С помощью этих способов можно рассчитать многолетнее промерзание-протаивание плоскопараллельного инженерно-геологического разреза при наличии информации об условиях теплообмена с окружающей средой, например, температуры на поверхности Земли под теплоизоляционным экраном фиксированной мощности. Основой перечисленных способов так же является решение одномерного нестационарного уравнения теплопроводности с подвижной границей раздела фаз для анизотропной плоскопараллельной среды.

Недостатком указанных способов является использование при расчетах одномерного уравнения теплопроводности, не позволяющего реализовать расчет в случае анизотропии свойств, геометрических размеров и конфигурации теплоизоляционных покрытий. Расчетные формулы не обеспечивают результат в случае размещения теплоизоляционного экрана внутри грунтового основания и не позволяют рассчитать величину слоя сезонного промерзания-протаивания.

Известны способы расчета необходимых параметров строительных конструкций, а именно, высоты однородного изотропного слоя подсыпки или теплоизоляции на поверхности Земли, обеспечивающих неизменность температуры эксплуатации грунтов оснований под сооружением [Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю.Я. Велли, В.И. Докучаева, Н.Ф. Федорова. Л. , Стройиздат, Ленингр. отд-ние 1977, с.214-252]. Способ так же основан на квазистационарном одномерном описании процесса теплообмена в среде и позволяет получить исходные параметры при наличии информации о свойствах инженерно-геологического разреза, средней температуры поверхности Земли за период полугодичного оттаивания и температуры многолетнемерзлых пород на глубине нулевых годовых колебаний температуры.

Недостатком указанного способа является использование при расчете квазистационарных моделей описания процесса теплообмена, не позволяющих рассчитывать "работу" теплоизоляционного экрана помесячно в периоды максимальных наблюдаемых деформаций фундамента. Кроме этого, отсутствует возможность расчета величины слоя сезонного промерзания-протаивания.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ расчета толщины однородного изотропного плоского слоя теплоизоляции, укладываемой на поверхность грунта, необходимой для ограничения до фиксированного уровня глубины сезонного протаивания [Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю. Я. Велли, В.И. Докучаева, Н.Ф. Федорова. Л., Стройиздат, Ленингр. отд-ние 1977, с. 170]. Формула реализует расчет для однородной инженерно-геологической среды, а именно, учитывает параметры одного грунта, но в талом и мерзлом состоянии в предположении квазистационарности одномерного температурного поля путем использования для расчетов средних температур за период оттаивания. Известны аналогичные формулы для расчета глубины сезонного промерзания при наличии на поверхности слоя теплоизоляции.

Недостатком указанного способа является использование в расчете одномерной квазистационарной модели теплового взаимодействия теплоизоляционного экрана с грунтовым основанием и окружающей средой. Ограниченность такой модели не позволяет рассчитывать искомые параметры при размещении теплоизоляционного экрана внутри грунтового основания и при наличии анизотропии его свойств, геометрических размеров и конфигурации. Кроме этого, способ не позволяет рассчитать температуры на глубине нулевых годовых колебаний последней.

Цель изобретения - повышение устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне.

Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение мощности слоя сезонного оттаивания - промерзания грунтов, а следовательно, и касательных сил морозного пучения в этом слое без смещения общего уровня теплового баланса грунта в положительную или отрицательную область, а именно, температуры на глубине нулевых годовых колебаний последней, и вызванного этим отклонения от выбранного принципа строительства за период эксплуатации сооружения.

Технический результат достигается путем размещения на поверхности и внутри грунтового основания теплоизоляционного экрана, обладающего анизотропией свойств, геометрических размеров и конфигурации, выбора необходимых свойств, размеров и конфигурации таким образом, чтобы наряду с уменьшением мощности слоя сезонного промерзания-протаивания обеспечить такой проектный температурный режим эксплуатации всего грунтового основания, который бы поддерживал устойчивость сооружения в течении всего срока его эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне, включающем размещение теплоизоляционного экрана на поверхности грунтового основания и расчет необходимых его параметров, теплоизоляционный экран размещают на поверхности и внутри грунтового основания, его размеры, геометрическую конфигурацию, а также теплофизические свойства материала, имеющие пространственную анизотропию, определяют из условий совпадения проектируемого температурного поля, обеспечивающего устойчивость сооружения в течение всего периода эксплуатации, и расчетного температурного поля, полученного путем решения методом конечных разностей нестационарного двумерного неоднородного уравнения теплопроводности в прямоугольных координатах для анизотропной среды с наличием в ней подвижной границы раздела фаз и представляющей собой инженерно-геологический разрез грунтов основания, вмещающего проектируемый теплоизоляционный экран, и прилегающей к нему территории строительства.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами: фиг. 1 - 7.

На фиг. 1 схематично изображен фрагмент геотехнической системы "фундамент из свай 1 - анизотропные грунты 2 основания сооружения", представляющий собой фундамент наружной газовой обвязки 3 турбоагрегатов компрессорной станции, с расположенными вокруг свай фундамента поверхностными теплоизоляционными экранами 4; на фиг. 2 изображена расчетная область, представляющая собой фрагмент сечения геотехнической системы (фиг. 1) плоскостью, перпендикулярной поверхности Земли; на фиг. 3 изображены графики зависимости расчетных температур от глубины; на фиг. 4, 5, 6, 7 изображены фрагменты расчетного температурного поля.

Способ реализуется следующим образом.

Для расчетной геотехнической системы (фиг. 1) формулируется система нестационарных уравнений, описывающих двумерную задачу теплопроводности в постановке Стефана [Хрусталев Л.Н., Пустовойт Г.П., Яковлев С.В. Программа расчета теплового и механического взаимодействия фундаментов сооружений с вечномерзлыми грунтами. Информ. бюллет., ВИНИТИ, N 5, М., 1983, с. 40-41] для среды, обладающей прямоугольной симметрией (пространственные координаты Z и X), анизотропностью по вертикальной координате, отражающей теплофизические и геометрические свойства инженерно-геологического разреза 2 проектируемого объекта, теплофизические свойства частей поверхностного или подповерхностного теплоизоляционного экрана 4 и его размером по вертикали и анизотропностью по горизонтальной координате, отражающей теплофизические характеристики и геометрические размеры, например, ширину продухов и частей теплоизоляционного экрана 4. Для записанной системы уравнений формируется расчетная область, представляющая собой фрагмент сечения проектируемой геотехнической системы плоскостью, перпендикулярной поверхности земли (фиг. 2). Размеры расчетной области по горизонтальной и вертикальной координате выбираются из условия неизменности и равности нулю теплового потока на границах Z→∞, X→0 и X→∞ (граничные условия II рода). Для описываемого варианта реализации размеры расчетной области приняты равными 50х100 м. На границе при Z ---> 0 задаются граничные условия III рода в виде ступенчато-непрерывных функций с амплитудами, равными среднемесячным многолетним температурам окружающего воздуха, среднемесячным коэффициентам теплоотдачи, отражающим условия теплообмена на поверхности земли (среднемесячная скорость ветра, мощность и плотность снежного покрова, альбедо поверхности и т.д.) [Проектирование объектов промышленного и гражданского назначения Западно-Сибирского нефтегазового комплекса. РСН 68-87. М., Государственный комитет по строительству РСФСР, 1987, с. 185-213]. Начальные температуры в расчетной области принимаются равными температурам, зафиксированным в грунтах основания сооружения на момент проведения изысканий или режимных исследований в процессе работ по инженерно-геокриологическому мониторингу. За начальный момент расчета принимается момент сооружения поверхностного теплоизоляционного экрана. Исходная система нестационарных уравнений в описанной выше расчетной области решается методом конечных разностей. Результатом решения является расчетное температурное поле на любой момент последующей эксплуатации проектируемой геотехнической системы. Искомые параметры - мощность и ширина различных частей теплоизоляционного экрана - подбирается путем многократного решения описанной задачи, исходя из необходимых, проектируемых, величин мощности слоя сезонного промерзания-протаивания вокруг сваи и температуры грунтового основания на глубине нулевых теплооборотов. Именно такие параметры теплоизоляционного экрана 4 (фиг. 1) обеспечивают устойчивость свайного фундамента в криолитозоне, поскольку уменьшение мощности слоя сезонного промерзания-протаивания приведет к снижению касательных сил морозного пучения, а возможность "управления" температурным режимом грунтов на глубине нулевых годовых колебаний температуры обеспечит необходимый уровень сцепления поверхности сваи с грунтом в слое между подошвой сезонного промерзания - протаивания и глубиной заложения сваи.

Пример конкретной реализации.

На фиг. 3 представлены численные результаты реализации описанного выше способа для частного случая "кусочного" теплоизоляционного экрана из стиропоробетона с геометрическими размерами, представленными на фиг. 4. Из приведенных на фиг. 3 зависимостей расчетной температуры на 1 октября 2005 г. от глубины следует, что при эксплуатации фундамента без теплоизоляционного экрана мощность слоя сезонного промерзания-протаивания составит 2,5 м, при этом температуры грунтов основания на глубинах нулевых годовых колебаний температуры равна 1,0 - 1,1^oC. При этом касательные силы морозного пучения, возникавшие в слое сезонного промерзания- протаивания, превышают силы, удерживающие сваю в грунте, которые, в свою очередь, зависят от температуры мерзлых пород в интервале от подошвы слоя сезонного промерзания-протаивания до глубины заложения свай фундамента. Применение сплошного теплоизоляционного экрана на данной площадке хотя обеспечит снижение мощности слоя сезонного промерзания-протаивания до 0,5 м, однако температуры на глубине нулевых годовых колебаний составят 0,1-0,2^oC. Это приведет к снижению сил, удерживающих сваю в грунте, и потере устойчивости фундамента по отношению к касательным силам морозного пучения. Применение "кусочного" теплоизоляционного экрана позволит добиться того, что касательные силы морозного пучения в сезонном слое промерзания-протаивания мощностью 1,5 м не превысят сил, удерживающих сваю в многолетнемерзлых грунтах с температурами порядка 1,0^oC.

Еще одним примером реализации заявляемого способа может послужить пример теплоизоляционного экрана ограниченной площади на площадке наружной газовой обвязки турбоагрегатов дожимной компрессорной станции N 9 Медвежьего месторождения.

Результаты инженерно-геологического мониторинга площадки свидетельствуют о том, что вследствие повышенного снегонакопления в пределах трубопроводной обвязки газоперекачивающих агрегатов в грунтах основания, несущих фундамент обвязки, формируется ореол оттаивания. Если на момент проведения первичных инженерно- геологических изысканий вся площадка была сложена вечномерзлыми грунтами со среднегодовыми температурами (-1) - (-2)^oC, то к 1998 году в пределах площадки сформировался ореол оттаивания мощностью до 5 м. Ниже подошвы формирующегося талика температура мерзлых грунтов составляет (-0,2) - (-0,4)^oC, то есть находится на границе оттаивания. Мощность слоя сезонного промерзания-протаивания составляет 2,2 м. Режимные термометрические наблюдения по скважинам за 1993-1998 годы показывают, что температура грунтов оснований продолжает повышаться, а мощность ореола оттаивания растет. Режимное нивелирование фундаментов и опорных конструкций сооружения свидетельствует, что с 1996-97 г.г. ряд свай, несущих трубопроводную обвязку турбоагрегата - 1, начал испытывать сезонные деформации на фоне многолетней осадки из-за нарушения устойчивости фундамента по отношению к касательным силам морозного пучения в сезонном слое промерзания-протаивания и повышения температуры подстилающих многолетнемерзлых пород. Это происходит несмотря на то, что глубина погружения свай составляет 10-12 м, т.е. торцы свай заглублены ниже подошвы талика. К настоящему времени осадки фундаментов незначительны и составляют 10-40 мм.

Результаты реализации предлагаемого способа по схеме, описанной выше, для рассматриваемого объекта, свидетельствуют, что при условии сохранения сегодняшнего уровня теплообмена на поверхности площадки трубопроводной обвязки газоперекачивающего агрегата талик будет продолжать расти. К 2008 году его максимальная мощность будет составлять 7,5 м (фиг 5), к 2018 - 8,5 м (фиг. 6). Продолжающееся оттаивание грунтов основания приведет к резкому снижению несущей способности фундамента. Таким образом, есть все основания утверждать, что наблюдаемые деформации будут увеличиваться во времени. С учетом того, что при любых вариантах дальнейшего функционирования месторождения, рассматриваемый объект будет функционировать не менее 15-20 лет, во избежание дальнейшего развития деформаций и связанных с ними сложностей в эксплуатации объекта, было предложено разработать и реализовать специальные меры по повышению устойчивости фундамента по отношению к касательным силам морозного пучения путем снижения мощности слоя сезонного промерзания-протаивания с одновременным понижением температуры на глубине нулевых годовых ее колебаний.

Расчеты, выполненные при реализации предлагаемого способа, свидетельствуют, что предотвратить дальнейшее многолетнее оттаивание грунтов в основании трубопроводной обвязки и впоследствии восстановить их первоначальное мерзлое состояние возможно посредством строительства на поверхности площадки в пределах свайного поля теплоизоляционного экрана из стиропоробетона мощностью 0,2 м. Уже через 5 лет после строительства теплоизоляционного экрана сформировавшийся ореол оттаивания практически полностью промерзнет, а через 10 лет восстановится первоначальное твердомерзлое состояние грунтов в основании всей обвязки (фиг.7). При этом мощность слоя сезонного промерзания - протаивания снизится до 0,6 м, что приведет к значительному снижению касательных сил морозного пучения. Учитывая тот факт, что применение такого теплоизоляционного экрана приводит к многолетнему охлаждению грунтов основания, вмещающих фундамент, можно с уверенностью утверждать, что устойчивость последнего повысится.

Формула изобретения

Способ повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне, включающий размещение теплоизоляционного экрана на поверхности грунтового основания и расчет необходимых его параметров, отличающийся тем, что теплоизоляционный экран размещают на поверхности и внутри грунтового основания, его размеры, геометрическую конфигурацию, а также теплофизические свойства материала, имеющие пространственную анизотропию, определяют из условий совпадения проектируемого температурного поля, обеспечивающего устойчивость сооружения в течение всего периода эксплуатации, и расчетного температурного поля, полученного путем решения методом конечных разностей нестационарного двумерного неоднородного уравнения теплопроводности в прямоугольных координатах для анизотропной среды с наличием в ней подвижной границы раздела фаз и представляющей собой инженерно-геологический разрез грунтов основания, вмещающего проектируемый теплоизоляционный экран, и прилегающей к нему территории строительства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 5-2004

Извещение опубликовано: 20.02.2004        

PC4A Государственная регистрация перехода исключительного права без заключения договора

Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 03.06.2011 № РП0001477

Лицо(а), исключительное право от которого(ых) переходит без заключения договора:Ордена Трудового Красного Знамени предприятие по добыче и транспортировке природного газа "Надымгазпром" Открытого акционерного общества "Газпром" (RU)

Правопреемник: Общество с ограниченной ответственностью "Газпром добыча Надым" (RU)

(73) Патентообладатель(и):Общество с ограниченной ответственностью "Газпром добыча Надым" (RU)

Дата публикации: 20.07.2011

---