Введение
При строительстве различных сооружений в районах распространения многолетней мерзлоты обязательным условием является обеспечение их устойчивости и эксплуатационной надежности [1]. В ряде случаев недостаточность мероприятий по недопущению растепления грунта приводит к развитию негативных геокриологических процессов и разрушению сооружений [2]. В настоящее время широкое распространение получили методы термостабилизации, основанные на создании проветриваемых подполий сооружений и применении сезонно действующих охлаждающих устройств (СОУ). Тем не менее актуальность разработки новых инновационных способов термостабилизации грунтов в последние годы значительно увеличилась [3]. С одной стороны, это связано со значительным увеличением количества и многообразия нефтегазовых, транспортных и иных объектов в Арктической зоне России [4]. С другой стороны, роль играет и устойчивая тенденция роста средней температуры воздуха. В качестве примера на рисунке 1 показаны среднегодовые температуры воздуха в Салехарде с 1980 года. Нельзя исключать и другие, сложно прогнозируемые факторы – нарушения природного режима подземных и поверхностных вод, изменения растительно-мохового покрова и т.п.
Кроме создания эффективной системы поддержания требуемого температурного поля грунта, актуальной задачей является также внедрение контролирующей системы геотехнического мониторинга, предполагающей проведение замеров в термометрических скважинах и технических осмотров. Для критически важных объектов могут внедряться геофизические системы мониторинга, основанные на методах электротомографии, тензометрии.
В рамках данной работы сделана попытка осветить как проверенные решения по термостабилизации грунта в криолитозоне, так и представить некоторые инновационные решения, которые в будущем могут быть успешно внедрены на объектах российского Севера.
Технологии температурной стабилизации грунтов
Системы пассивного охлаждения грунта
Основным способом обеспечения требуемого температурного режима фундамента для сохранения мерзлого состояния грунтов является сооружение вентилируемого подполья [7]. Широкое распространение данный метод получил благодаря простоте конструкции и надежности работы. На рисунке 2 показана газотурбинная электростанция завода «Ямал СПГ» в процессе строительства с высотой вентилируемого подполья 3 м [4]. Вентилируемое подполье в отдельных случаях может предусматривать организацию принудительной циркуляции воздуха, что, однако, не позволяет осуществлять круглогодичное охлаждение грунта. Например, в основании электростанции завода «Ямал СПГ», имеющем в плане размеры 57 x 168 м, установлено 18 промышленных вентиляторов [4].
При использовании только вентилируемого подполья без дополнительных мероприятий проектные показатели температурного поля грунта, при которых становится возможной передача нагрузок на фундамент, занимают до 5–8 лет [8, 9]. Для сокращения этого времени широко применяются глубинные СОУ, работающие по принципу термосифонов [10, 11]. Наибольшее распространение получили вертикальные двухфазные естестенно-конвективные термосифоны малого диаметра (25–40 мм) с испарителем длиной до 10–15 м и оребренным конденсатором длиной, как правило, до 1,5 м. Указанные СОУ позволяют автономно (без подвода энергии) осуществлять промораживание грунта в холодное время года, когда возможна конденсация испарившегося рабочего тела. На рисунке 3 показаны индивидуальные СОУ, осуществляющие термостабилизацию грунта вдоль трассы нефтепровода «Ванкор – Пурпе» [12].
Кроме индивидуальных СОУ, выделяют другие виды глубинных СОУ: групповые и коллекторные устройства, описанные в работе [13]. Групповые СОУ представляют собой несколько отдельных термостабилизаторов, каждый из которых осуществляет охлаждение отдельного участка грунта. Коллекторные СОУ предполагают охлаждение надземных конденсационных блоков вентиляторами и применяются реже.
В последние годы были разработаны более сложные системы, также работающие по принципу термосифонов – горизонтальные и вертикальные естественно действующие трубчатые системы («ГЕТ» и «ВЕТ») [10, 13, 14]. Такие системы применяются, как правило, при необходимости термостабилизации грунтов под сооружениями большой площади или под группами зданий. Система ГЕТ на Ванкорском нефтегазовом месторождении показана на рисунке 4 [16].
Вышеприведенные способы и устройства позволяют в той или иной степени решать широкий пласт проблем, связанных с термостабилизацией многолетнемерзлых грунтов, и хорошо зарекомендовали себя на практике. Однако не прекращается поиск инженерных решений, которые могли бы по меньшей мере в определенных условиях оказаться технически или экономически эффективнее.
В патенте [17] предлагается размещать в грунте классические СОУ, однако внутрь свай помещать аккумуляторы холода. Аккумулятор холода в этом случае может представлять собой емкость из эластичного материала, прилегающую к внутренней поверхности стенки сваи, а в качестве аккумулирующего холод вещества может использоваться вода. В [5] рассматриваются СОУ специальной конструкции, позволяющей осуществлять откачку рабочего тела и подключение турбохолодильной машины при необходимости быстрого замораживания грунта.
Известны также различные технические решения, предполагающие размещение испарителя СОУ внутри корпуса сваи. Это позволяет уменьшить объем буровых работ и снизить металлоемкость системы термостабилизации грунта. В работе [8] описана свая, внутри корпуса которой установлен испаритель термосифона, при этом оребренный конденсатор вынесен за пределы корпуса сваи в надземной части. В [18] предлагается конструкция без оребренной зоны конденсации, при этом внутреннее пространство сваи в зонах испарения и конденсации СОУ, размещенного внутри сваи, заполняется теплопроводящим материалом или жидкостью. В [19] описана тепловая свая, работающая по принципу термосифона, с увеличенными геометрическими размерами конденсаторной части для конденсации рабочей жидкости в объеме, превышающем объем зоны испарения.
Системы пассивного охлаждения грунта, как правило, не позволяют осуществлять замораживание грунта в теплое время года, когда конденсация теплоносителя в термосифоне невозможна. Для проведения круглогодичной термостабилизации грунта необходимо использовать системы активного охлаждения.
Системы активного охлаждения грунта
В ряде случаев на этапе строительства необходимо осуществить быстрое замораживание грунта, а на этапе эксплуатации – круглогодичную термостабилизацию грунта. Этих целей позволяют добиться системы активного охлаждения грунта. В рамках данной статьи технические решения по активной термостабилизации грунта классифицированы на две группы – устройства внутри свай и устройства вне свай.
Устройства внутри сваи
Снизить объем буровых работ при устройстве свайных фундаментов можно при размещении термостабилизирующих элементов внутри корпуса несущих свай. Разработка конструкций термосвай, предполагающих активное замораживание грунта, велась еще в СССР. Так, в [20] предложена свая с размещенной внутри продольной арматурой в виде системы трубчатых элементов, часть их которых (на острие сваи) выполнена разомкнутыми. При погружении сваи в трубчатые элементы подается теплоноситель для оттаивания грунта, а при охлаждении – хладоноситель.
В [21] внутри каждой сваи фундамента соосно со сваей закреплена труба, нижний торец которой открыт. Трубы являются испарителем холодильной машины, в состав которой входят также компрессор и теплообменник. Кроме того, в качестве двигателя компрессора предлагается использовать роторный ветродвигатель с вертикальным валом, кинематически связанный с компрессором. Схожая конструкция сваи описана в работе [22], посвященной круглогодичному охлаждению и замораживанию грунта с помощью тепловых насосов. Использовать тепловые насосы при строительстве в районах распространения многолетнемерзлых пород было предложено в 70-х годах [23]. Тепловой насос термодинамически эквивалентен холодильной машине с той лишь разницей, что сбрасываемая конденсатором избыточная теплота отбирается потребителем. В работе [23] также предлагается схема системы термостабилизации грунта с помощью теплового насоса. Кроме того, существует концепция вентилируемой сваи, предполагающая использование вентиляторов для создания принудительной циркуляции холодного воздуха по телу сваи. В работе [1] рассматривается принудительно вентилируемая свая, подключенная к холодильной машине.
Устройства вне сваи
В данном разделе рассмотрены некоторые технические решения, позволяющие осуществлять круглогодичную термостабилизацию грунта за счет устройств, размещаемых вне сваи.
В [24] рассматривается система с глубинными термоэлементами, размещаемыми в предварительно пробуренные скважины. В термоэлементы осуществляется принудительная регулируемая подача хладагента от внешнего источника охлаждения по закольцованным магистралям.
Известен опыт опытно-промышленной эксплуатации термостабилизаторов круглогодичного действия с термоэлектрическими модулями, накопленный предприятиями «ВНИИГАЗ», «Фундаментпроект» и «Ньюфрост». Принцип действия таких термостабилизаторов основан на эффекте Пельтье [11]. Так, исследовалась возможность осуществления круглогодичного охлаждения грунта с помощью СОУ путем подключения в теплое время года термоэлектрических модулей, размещаемых на конденсаторах термостабилизаторов. В другом известном способе термостабилизатор круглогодичного действия представляет собой устройство на базе СОУ, подключенного к холодильной машине [11].
В работе [25] описан термостабилизатор специальной конструкции для работы при отрицательных температурах окружающего воздуха и холодильной машины при положительных температурах окружающего воздуха. При этом холодильная машина подключается между конденсатором и испарителем ко второму контуру термостабилизатора. Аналогичный двухконтурный стабилизатор предлагается использовать в исследовании [2], при этом питание холодильной машины осуществляется за счет возобновляемых источников энергии, а теплота контура с естественной циркуляцией используется для обогрева контейнера с оборудованием. Несколько иной способ охлаждения грунта описан в работе [23]. В [23] предлагается в транспортные участки парожидкостных СОУ устанавливать дополнительные теплоотводящие элементы для возможности круглогодичного функционирования устройства.
Заключение
В рамках данной работы продемонстрированы различные технико-технологические решения по обеспечению мерзлого состояния грунтов с целью обеспечения несущей способности свайных фундаментов. На основании проведенных аналитических исследований можно сделать вывод о большом многообразии как традиционных устройств термостабилизации грунтов, так и инновационных способов, прошедших стадию опытной эксплуатации, лабораторных исследований или разработки концепта.
