Система замораживания грунтов

Авторы патента:

Денисов Олег Викторович (RU)

Губеладзе Олег Автандилович (RU)

Матяшов Денис Михайлович (RU)

Цыбенко Александр Владимирович (RU)

Созин Сергей Михайлович (RU)

E02D3/115 - замораживанием

Владельцы патента RU 2435904:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский военный институт ракетных войск имени Главного маршала артиллерии М.И. Неделина" Министерство обороны Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к системам замораживания грунтов при строительстве. Эта проблема достаточно актуальна в связи с ростом строительства на влажных и болотистых почвах. Сущность изобретения: система замораживания грунтов содержит скважины, пробуренные эквидистантно по контуру выработки или котлована. В скважины опущены замораживающие колонки, а в них - питающие трубы, в колонках циркулирует охлажденный на замораживающей станции рассол. Система замораживания грунтов также содержит коллекторы, соединяющие выход замораживающих колонок с замораживающей станцией. В качестве рассола используется раствор соли хлористого кальция. Рассол охлаждается на замораживающих станциях холодильными машинами. Замораживающие колонки выполнены из титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы и первоначально имеют трубчатую цилиндрическую форму с продольным гофрированием. Сплаву замораживающих колонок задано фазовое превращение при критической температуре в цилиндрическую форму. Положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности и эффективности работы системы замораживания грунта за счет использования деформаций, возникающих в конструкции трубчатой колонки, выполненной из сплава с эффектом памяти формы, при расширении объема льдогрунтового ограждения. Система замораживания грунта отличается от прототипа усовершенствованной конструкцией замораживающей колонки, обеспечивающей увеличение ресурса замораживающих колонок при циклическом изменении температур грунта. 2 ил.

Замораживание грунтов применяется при возведении фундаментов зданий и сооружений, строительстве шахт, метрополитенов, противофильтрационных завес, плотин, доков, подземных хранилищ, сооружений, препятствующих оползням, и др. [1, 2, 3].

Известны устройства охлаждения, основанные на применении сплава с эффектом памяти формы со значительными экзо- и эндотермическими эффектами в них при охлаждении и нагреве в интервале мартенситных превращений [4, 5].

В качестве прототипа к заявляемому изобретению принята система образования льдогрунтового ограждения [1], позволяющая заморозить влажный грунт для закрепления и достигнуть необходимого уровня водонепроницаемости при строительстве за счет использования замораживающих колонок.

Недостатками прототипа являются низкие эксплуатационные характеристики замораживающих колонок, ввиду возникновения значительных напряжений в конструкции трубчатой колонки при расширении объема грунта вследствие его заморозки и кристаллизации, содержащейся в нем влаги [6], что приводит к уменьшению ресурса замораживающих колонок при циклическом изменении температур, образованию трещин и снижению времени безотказной работы системы.

При этом в строительстве и эксплуатации объектов зачастую возникает потребность в искусственном охлаждении грунта в природном залегании до отрицательных температур в целях их закрепления и достижения необходимой водонепроницаемости с высоким уровнем надежности замораживающих колонок при длительной эксплуатации.

Данная задача может быть решена при помощи системы замораживания грунтов, показанной схематично на фиг.1 и 2, которая содержит скважины 1, пробуренные эквидистантно по контуру выработки или котлована 2. В скважины 1 опущены замораживающие колонки 3, а в них - питающие трубы 4, в колонках циркулирует охлажденный на замораживающей станции 5 рассол. Система замораживания грунтов также содержит коллекторы 6, соединяющие выход замораживающих колонок 3 с замораживающей станцией 5. В качестве рассола используется раствор соли хлористого кальция. Рассол охлаждается на замораживающих станциях 5 холодильными машинами 7. Замораживающие колонки 3 выполнены из титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы и первоначально имеют трубчатую цилиндрическую форму с продольным гофрированием (фиг.2). Сплаву замораживающих колонок 3 задано фазовое превращение при критической температуре в цилиндрическую форму.

Для создания льдогрунтового ограждения (фиг.1) по контуру выработки или котлована 2 бурят скважины 1, в которые затем опускают, охлажденные ниже критической температуры, замораживающие колонки 3, а в них - питающие трубы 4. В колонках 3, выполненных в виде труб с продольным гофрированием из сплава с эффектом памяти формы, циркулирует рассол. В процессе непрерывного теплообмена с рассолом грунт, окружающий колонку 3, охлаждается и замерзает, образуя вокруг колонок 3 льдогрунтовые цилиндры. Постепенно цилиндры увеличиваются в диаметре и соединяются между собой, превращаясь в сплошное ограждение. Лед, расширяясь, увеличивает сжимающие напряжения на внешние стенки замораживающих колонок 3 и пластически деформирует их по заданным продольным гофрам. Часть совершаемой льдом работы, по пластической деформации колонки 3, накапливается в сплаве с эффектом памяти формы.

По выходе из замораживающих колонок 3 рассол поступает через коллектор 6 на замораживающую станцию 5, где его снова охлаждают при помощи холодильных машин 7.

При аварийном выключении холодильных машин 7 или воздействии на область котлована 2 значительной тепловой нагрузки, превышающей расчетную, например, по причине прорыва грунтовых вод, льдогрунтовые цилиндры начинают плавиться, замораживающие колонки 3, выполненные из титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы и первоначально имеющие трубчатую цилиндрическую форму с продольным гофрированием, нагреваются до достижения критической температуры начала фазового превращения в материале. При этом материал замораживающих колонок 3 претерпевает фазовое превращение и изменяет свою форму, стремясь развернуться в мягком грунте в цилиндр. Нагрев области котлована 2 может осуществляться до температуры, при которой происходит восстановление заданной формы. Для сплава с эффектом памяти формы на основе, например, системы Ni-Ti эта температура устанавливается процентным соотношением никеля и титана в сплаве и может быть выбрана и установлена в зависимости от предполагаемых эксплуатационных температур в диапазоне от - 50°С до 160°С [5, 6].

Восстановление формы замораживающих колонок обеспечивается силой термоупругости сплава. При этом максимальный термический эффект (в данном случае охлаждение) dT=dH_П/C определяется энтальпией перехода dH_П и теплоемкостью сплава С [5]. Замораживающие колонки при перегреве выше критической температуры охлаждаются, становятся стоком избытка тепловой энергии.

Естественно, что замораживающие колонки в режиме интенсивной терморегуляции (таяния льдогрунтового ограждения) могут работать ограниченное время, поглощая вполне определенное количество тепла. «Емкость» замораживающих колонок, являющихся стоком тепла, пропорциональна массе материала.

Положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности и эффективности работы системы замораживания грунта за счет использования деформаций, возникающих в конструкции трубчатой колонки, выполненной из сплава с эффектом памяти формы, при расширении объема льдогрунтового ограждения [6].

Система замораживания грунта отличается от прототипа усовершенствованной конструкцией замораживающей колонки, обеспечивающей увеличение ресурса замораживающих колонок при циклическом изменении температур грунта.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Трупак Н.Г. Замораживание горных пород при проходке стволов. М.,1959.

2. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в строительстве. М., 1970.

3. Дорман Я.А. Искусственное замораживание грунтов при строительстве метрополитенов. М., 1971.

4. Патент РФ №2242844 от 20.12.2004 г.

5. Эффект памяти формы в сплавах: Пер. с англ. Л.М. Бернштейна. / Под ред. В.А. Займовского. - М.: Металлургия, 1979 - 472 с.

6. Цытович Н.А. Механика грунтов. М, Высшая школа, 1979.-272 с.

Система замораживания грунтов, содержащая скважины, пробуренные эквидистантно по контуру выработки или котлована, в скважины опущены замораживающие колонки, а в них - питающие трубы, в колонках циркулирует охлажденный на замораживающей станции рассол, коллекторы, соединяющие выход замораживающих колонок с замораживающей станцией, в качестве рассола используется раствор соли хлористого кальция, рассол охлаждается на замораживающих станциях холодильными машинами, отличающаяся тем, что замораживающие колонки выполнены из титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы, замораживающие колонки первоначально имеют трубчатую цилиндрическую форму с продольным гофрированием, сплаву замораживающих колонок задано фазовое превращение при критической температуре в цилиндрическую форму.

Система для температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах // 2416002

Система для температурной стабилизации основания сооружений на вечномерзлых грунтах // 2415226

Устройство для стабилизации пластично-мерзлых грунтов с круглогодичным режимом работы // 2405889

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для охлаждения и замораживания грунта, используемым при строительстве сооружений, возводимых в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.

Охлаждаемая свайная опора для сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте // 2384672

Изобретение относится к области строительства, а именно к основаниям и опорам различных сооружений, возводимых в районах Крайнего Севера с вечномерзлым грунтом, более конкретно - к охлаждаемым свайным опорам.

Свайная опора для сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте // 2384671

Изобретение относится к области строительства, а именно к основаниям и опорам различных сооружений, возводимых в районах Крайнего Севера с вечномерзлым грунтом, более конкретно к охлаждаемым свайным опорам.

Тепловая труба // 2382972

Устройство для аккумуляции холода // 2295002

Изобретение относится к области холодильной техники и касается замораживания грунта, используемого для создания ледопородных ограждений. .

Устройство для аккумуляции холода // 2286423

Устройство для глубинного замораживания грунта // 2263744

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при создании противофильтрационных мерзлотных завес высотой до 100 метров и более.

Охлаждающее устройство для температурной стабилизации многолетнемерзлых грунтов и способ монтажа такого устройства // 2454506

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

Термосвая для опор моста // 2470114

Изобретение относится к устройствам для сезонного охлаждения и замораживания грунтов оснований зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов

Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах // 2515667

Изобретение относится к области строительства на многолетнемерзлых и слабых грунтах и касается выполнения систем замораживания и термостабилизации грунтовых оснований сооружений. Система для температурной стабилизации оснований сооружений на вечномерзлых грунтах включает конденсатор, выполненный в виде системы труб, испаритель, связанный с гидрозатвором и с трубопроводами, подводящими и отводящими теплоноситель, размещенными равномерно по всей площади отсыпки грунта основания, оснащенного слоем теплоизоляции. Дополнительно содержит расположенный под конденсатором буфер-сепаратор, представляющий собой вертикально ориентированную секцию в виде трех расположенных друг под другом, связанных между собой горизонтально направленных труб, внутренний объем которых суммарно равен объему уложенного в отсыпке грунта основания испарителя, представляющего собой параллельно расположенные змеевиковоподобные трубы, связанные отводящими трубопроводами с оснащенной завихрителем верхней горизонтально направленной трубой упомянутого буфера-сепаратора, нижняя горизонтально направленная труба которого через гидрозатвор связана с помощью подводящих теплоноситель трубопроводов с испарителем. В качестве теплоносителя используется аммиак или двуокись углерода. Технический результат состоит в повышении промораживающей и несущей способности основания, обеспечении управления и контроля за процессом промораживания грунта и процессом резервирования надежности системы. 4 ил.

Способ улавливания аммиака узла заправки термостабилизаторов вечномерзлых грунтов // 2515931

Изобретение относится к области строительства на многолетнемерзлых грунтах, в частности к подготовке замораживающих устройств - термостабилизаторов к эксплуатации. Предлагается способ улавливания аммиака узла заправки термостабилизаторов вечномерзлых грунтов путем поглощения газообразного аммиака в системе с циркулирующей аммиачной водой. Непрерывный процесс поглощения газообразного аммиака ведут в эжекторе при температуре 20-40°C в одну ступень. Создают избыточное давление паров аммиака 30-100 кПа и используют аммиачную воду концентрацией 20-25% с последующим выводом этой аммиачной воды из эжектора в накопительную емкость, которую размещают в грунте, через стенки которой в грунт производят отвод тепла, полученного от растворения газообразного аммиака в аммиачной воде. Одновременно регулируют уровень жидкости в накопительной емкости. Производят откачку аммиачной воды из накопительной емкости и подают свежую жесткую воду в накопительную емкость, а также периодически выгружают из нее выпавшие в осадок соли жесткости. Технический результат состоит в повышении эффективности при одновременном снижении себестоимости и снижении энергозатрат с возможностью применения жесткой воды. 2 ил.

Способ и устройство для круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны // 2519012

Изобретение относится к устройствам регулируемой температурной стабилизации, охлаждения и замораживания грунта основания фундаментов, а также теплоснабжения сооружений на вечномерзлых грунтах (в условиях криолитозоны). Способ круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криолитозоны включает бурение скважин, охлаждение грунта. Круглогодично регулируют охлаждение и замораживание грунта основания фундамента и проводят круглогодичное частичное теплоснабжение сооружения за счет теплоты охлаждаемого и замораживаемого грунта основания фундамента и прилегающих к нему слоев грунта. Образуют первичный контур с низкотемпературным теплоносителем теплового насоса, рабочее тело теплового насоса имеет температуру кипения ниже на 10-30°С минимальной температуры теплоносителя первичного контура. Тепловой насос располагают внутри сооружения и осуществляют теплоснабжение с коэффициентом преобразования больше единицы 1-3. Теплоноситель первичного контура теплового насоса имеет температуру замерзания ниже минимальной температуры окружающего воздуха места сооружения до -60°С. Температура испарения рабочего тела вторичного контура выше нижнего предела его рабочего диапазона температур до -75°С. Термоскважину устанавливают в массиве основания сооружения с несущими сваями по периферии или, будучи разделенной на менее мощные, термоскважины устанавливают по его периферии, выполняя дополнительно несущую функцию сваи. Теплоноситель разделенных термоскважин подают по теплоизолированным теплопроводам к общему теплообменнику первичного контура теплового наоса или к нескольким тепловым насосам, установленным в различных помещениях сооружения. Технический результат состоит в обеспечении гарантированного круглогодичного обеспечения замороженного состояния основания фундамента сооружения по всей глубине скважины, а также в обеспечении круглогодичного покрытия части (примерно половины) тепловой нагрузки сооружения с помощью теплового насоса за счет использования теплоты охлаждаемого и замораживаемого вечномерзлого грунта. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Охлаждающее устройство для глубинной температурной стабилизации грунтов, оснований зданий и сооружений // 2527969

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для глубинного охлаждения и замораживания грунтов оснований зданий и сооружений, возводимых на многолетнемерзлых грунтах. Техническим результатом изобретения является повышение несущей способности грунтов, упрощение монтажа и демонтажа конструкции. Охлаждающее устройство для глубинной температурной стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений содержит герметичный трубчатый корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной между ними, выполненный с возможностью заправки теплоносителем. При этом корпус содержит теплообменник, включающий трубу корпуса зоны конденсации, ресивер, выполненный из трубы большего диаметра, чем диаметр корпуса, имеющий заглушку сверху и герметично установленный на конце трубы корпуса зоны конденсации. Устройство также включает не менее двух полых отводящих трубок, диаметр которых меньше диаметра трубы корпуса, выполненных с внешним оребрением, расположенных вертикально вокруг трубы конденсаторной зоны корпуса и соединенных верхними патрубками с ресивером, а нижними патрубками с полостью зазора, образованного внутренними стенками муфты, соединяющей нижнюю часть трубы конденсаторной зоны корпуса с внешней опорной втулкой, приваренной к верхнему участку трубы транспортной зоны. Устройство дополнительно содержит приемную втулку, выполненную в виде отрезка трубы меньшего диаметра, чем диаметр корпуса, соединенной через переходник с нижним концом трубы конденсаторной зоны и размещенной частично в верхней части трубы транспортной зоны корпуса с зазором относительно ее внутренней боковой поверхности, а труба корпуса в зоне испарения выполнена с переменным сечением, и имеет хотя бы один переход на трубу меньшего диаметра. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ инженерной защиты добывающей платформы плавучего типа от ледовых воздействий в условиях арктического шельфа // 2532941

Изобретение относится к строительству гидротехнических сооружений и может быть применено для создания ограждающей конструкции, предназначенной для защиты добывающей платформы плавучего типа в ледовых условиях арктического шельфа. Способ включает установку по периметру платформы защитной ограждающей конструкции. При этом до установки платформы в проектное положение по периметру платформы с зазором устанавливают, по меньшей мере, один ряд опор из металлических свай круглого сечения, заглубленных в неустойчивые донные отложения или в коренные породы. В сваи монтируют охлаждающие устройства и производят искусственное замораживание воды и грунта вокруг свай, причем образующиеся вокруг свай монолитные цилиндры - льдогрунтовые в основании и ледовые в воде, должны смыкаться со смежными цилиндрами, образуя сплошную ледогрунтовую в основании и ледовую в воде защитную противоударную и противофильтрационную стену. Технический результат заключается в повышении эффективности инженерной защиты платформ плавучего типа в условиях арктического шельфа. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для термостабилизации приустьевой зоны скважин // 2534879

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при освоении и эксплуатации месторождений, расположенных в зоне многолетнемерзлых пород. Устройство для термостабилизации приустьевой зоны скважин включает совокупность размещенных вокруг устья скважины термостабилизаторов, соединенных через общий коллектор в верхней их части с конденсатором. При этом нижняя часть термостабилизаторов также объединена общим коллектором, а коэффициент оребрения и площадь поверхности неоребренного конденсатора подбираются такими, чтобы обеспечить выполнение приведенного математического выражения. Техническим результатом является обеспечение возможности беспрепятственной эксплуатации и ремонта скважины при эффективной стабилизации теплового состояния приустьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Способ заправки термостабилизатора // 2548633

Изобретение относится к способу термостабилизации многолетнемерзлых и слабых грунтов и может быть использовано в производстве термосифонов (термостабилизаторов). Способ заправки термостабилизатора жидким синтетическим аммиаком включает очистку жидкого аммиака от примесей инертных газов, для чего его перекачивают в заправочную емкость, где нагревают до температуры 18-30°C при давлении в заправочной емкости 0,8-1,19 МПа с постепенным снижением давления аммиака в емкости, заполненной жидким аммиаком, поддерживая его кипение на протяжении 10-15 с по объему заправочной емкости. Удаляют инертные газы вместе с испарившимся аммиаком путем продувки в систему улавливания аммиака, причем количество (кратность) продувок зависит от объема заправочной емкости и перепада температур, не превышающего 1°C на оребренной части конденсатора. Затем очищенный жидкий аммиак подают в дозатор и далее в термостабилизатор. Технический результат состоит в обеспечении осуществления процесса очистки синтетического аммиака от примесей инертных газов до необходимой нормы заправки термостабилизаторов, улучшении производственных и экономических характеристик заправки и эксплуатации термостабилизаторов. 1 ил.

Прямоточное естественно-конвективное охлаждающее устройство для термостабилизации мерзлого грунта // 2554955

Изобретение относится к области строительства в районах распространения многолетне-мерзлых грунтов и, конкретно, к устройствам, обеспечивающим мерзлое состояние грунтов оснований сооружений при проектном значении отрицательной температуры. Технический результат - повышение эффективности работы устройства за счет обеспечения его автоматического запуска при понижении температуры атмосферного воздуха в заданной зоне. Устройство для термостабилизации мерзлого грунта имеет конденсатор, горизонтальный испаритель и систему автоматического управления запуском. Эта система включает в себя один или несколько электромагнитных датчиков для измерения внутренних параметров устройства. В качестве этих параметров предусмотрены температура и/или давление в конденсаторе, и/или датчик уровня конденсата в конденсаторе, датчик температуры наружного воздуха, анализатор сигналов датчиков и электромагнитный клапан. Данный клапан смонтирован на участке между выходом потока хладагента из трубки испарителя и его входом в конденсатор и имеет возможность срабатывания от внешнего - управляющего электрического сигнала анализатора на основе заложенного в его память критерия сравнения текущих показаний датчиков с критическими значениями внутренних параметров устройства. Упомянутые критерии и параметры установлены расчетом или опытным путем из условия предотвращения образования запирающей пробки конденсата выше местоположения монтажа электромагнитного клапана. 1 ил.