книги из ГПНТБ / Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве

замораживание израсходовали дополнительно 50 т жидкого азота. Все трубопроводы, применяемые для замораяшвания грунтов,

были демонтированы в течение нескольких часов.

V . Ремонт металлической крепи старого тоннеля под р. Темзой в г. Лондоне. Необходимый запас жидкого азота в количестве 11,33 т хранили в теплоизоляционной емкости, расположенной у устья вентиляционного ствола. Из емкости жидкий азот подавали по тепло­ изоляционному трубопроводу на глубину 15,25 м к распределителю азота, смонтированному в тоннеле.

От распределителя жидкий азот по соединительным трубопрово­ дам поступал к 60 замораживающим колонкам, введенным в грунт за металлическую крепь. Длина колонок 3 м.

Опыт замораживания грунтов жидким азотом показал, что грунт замораживался быстрее, чем при рассольном замораживании. Грунт в необходимом объеме был заморожен в течение двух недель, в то время как на аналогичных работах по рассольному методу затрачи­ вали 12 недель.

Замороженный грунт позволил заменить несколько разрушенных чугунны х тюбингов массой 1,12 т каждый без риска выпуска водо­ носного грунта в тоннель.

V I. Предварительное охлаждение стен подземных газохранилищ . В одно газохранилище диаметром 35 м и глубиной 50 м было залито свыше 100 т жидкого азота. Азот, испаряясь при атмосферном давле­ нии, вытеснял воздух из газохранилища и охлаждал стены газо­ хранилища и вытеснял из него воздух. После этого, с той же целью в емкость вводилось последовательно 50 т, а затем еще 100 т сжи­ женного природного газа.

V II. Жидкий азот как способ борьбы с поглощением промывоч­ ной жидкости при бурении нефтяных скважин. Был применен впервые в СССР по предложению М. Я . Берковича. На ликвидацию ослож­ нений, возникающих в процессе бурения нефтяных скваж ин, затра­ чивается 10— 12% общего времени бурения скваж ин, причем до 80% осложнений вызваны поглощениями промывочной жидкости. На ликвидацию поглощений промывочной жидкости затрачиваются огромные средства.

Возможности использования жидкого азота для борьбы с погло­ щениями промывочной жидкости в скважине были исследованы в лабораторных условиях на специальном стенде. Ж идкий азот заливали непосредственно в скваж ину, окруженную водонасыщенной горной породой.

В результате проведения большого количества экспериментов было установлено, что время, необходимое на образование в сква­ жине ледогрунтового слоя толщиною 12— 23 см, изменялось в пре­ делах 21— 37 мин. Средняя скорость нарастания ледогрунтового слоя составила 0,6 см/мин.

Ледогрунтовой слой оттаивал в течение 8 5 — 147 мин. Таким образом, время, необходимое на образование ледогрунтового слоя, относится к времени оттаивания его, как 1 : 4.

2ПО

Учиты вая, что при применении нового способа замораживания в практике жидкий азот будет находиться под давлением столба промывочной жидкости, были проведены исследования заморажи­ вания грунтов под давлением 15 кгс/см 2. Давление в скважине на стенде создавалось самим азотом при его испарении.

Экспериментальные исследования показали, что при испарении азота под давлением эффективность процесса замораживания значи­ тельно увеличилась вследствие уменьшения тепловых потерь. У в е ­ личилась и продолжительность оттаивания ледогрунтового слоя благодаря увеличению его толщины. Отношение времени заморажи­ вания слоя к времени его оттаивания в среднем составляло 1 : 20.

Промышленные испытания этого способа были проведены на одной из скваж ин треста Ишимбайнефть. Скважина была пробурена до глубины 788 м. При бурении скважины на глубине 775 м было отмечено вначале частичное, а затем полное поглощение промывоч­ ного глинистого раствора с удельным весом 1,2 г/см3.

На участке скважины 775— 788 м в течение 2 ч было израсходо­ вано свыше 200 м3 раствора. Проходимые горные породы были представлены ноздреватыми мелкокавернозными известняками уфим­ ской свиты.

Гидростатическое давление глинистого раствора в зоне поглоще­ ния было 88,5 кгс/см 2. Попытка ликвидации поглощения глинистого раствора путем цементации известняков положительных результатов не дала. По истечении 16 ч после нагнетания цементного раствора последний в скважине не был обнаружен. Уровень глинистого рас­ твора в скважине находился на глубине 50 м от поверхности земли.

В указанны х условиях были проведены промышленные испыта­ ния рассматриваемого способа. Жидкий 98% -ный азот в количестве 70 л был опущен в скваж ину в специальной желопке.

Конструкция специальной вакуумной желонки показана на рис. 131. От обычных желонок она отличается налйчием:

двойных стенок 1, межтрубное пространство которых вакуум и­ ровано;

специального нагрузочного клапана 6, обеспечивающего посту­ пление жидкого азота из желонки в зону поглощения;

нижнего клапана 11 со стеклянными диафрагмами.

Емкость желонки 126 л жидкого азота. Ж елонка позволяет доставлять жидкий азот в скваж ину на большую глубину без зна­ чительных теплопотерь и обеспечивает выпуск жидкого азота в зону поглощения.

До момента погружения в скваж ину жидкий азот находится под давлением, равным атмосферному, и имеет температуру, равную температуре насыщения при этом давлении.

Процесс испарения жидкого азота в зоне поглощения промывоч­ ной жидкости является процессом, протекающим при постоянном давлении. В таком случае при замораживании эффективно исполь­ зуется главным образом только скрытая теплота испарения жидкого азота.

2ß l

Конечное состояние азота, соответствующее моменту окончания

262

§ 2. Применение жидкого пропана для устройства термосвай Лонга

Жидкий пропан с непосредственным испарением его в заморажи­ вающих трубах нашел применение при устройстве свайных оснований в вечномерзлых грунтах. Такие сваи получили название термосвай системы Л онга. В южных районах области вечной мерзлоты с не­ устойчивой («вялой») мерзлотой мерзлые грунты имеют температуру, близкую к ± 0 ° С, и поэтому обладают малой несущей способностью. В таких условиях свайное основание с источниками холода в сваях обеспечивает накопление добавочного холода, необходимого для предотвращения оттаивания вечномерзлого грунта.

Понижением температуры мерзлого грунта может быть достиг­ нута достаточно высокая несущ ая способность грунта. При пони­ жении температуры на 1° С сопротивление сжатию мерзлого грунта повышается. При этом с понижением температуры грунтов одно­ временно с увеличением длительной прочности мерзлого грунта уменьшаются деформации ползучести его. Понижение температуры под зданием позволяет уменьшить число свай или их длину.

В настоящее время известны многие конструкции термосвай: от труб диаметрами 50 мм, работающих как висячие сваи, до кустов из трех труб диаметром 300 мм, опирающихся на плиту с попереч­ ными размерами 1,5 X 1,5 м и толщиною 80 мм.

На рис. 132 показана конструкция термосваи с внутренним

вия 2 толщиною 51 мм; гравий покрыт еловыми брусьями 3 тол­ щиною 20 мм. На еловых брусьях уложена стальная плита 4 диа­ метром 406 мм и толщиною 12,7 мм.

Кольцевые пространства между трубой и стенками скваж ины в нижней части ее на высоту 0,92 м заполнены песчано-гравийным грунтом б, а в верхней части ее высотой 2,96 м — гравием 7 с песчано­ глинистым заполнителем.

Верхний конец стальной трубы перекрыт стальной плитой 8 диаметром 305 мм; в трубе заделан вентиль 9, предназначенный для заливки в трубу жидкого пропана. К верхней части свайной трубы, выступающей над поверхностью земли, привариваются 8 ме­

трубы слуяшт конденсатором для паров пропана, поднимающихся из термосваи в верхнюю часть ее.

Принцип действия термосваи основан на отводе тепла от грунтов основания, когда температура атмосферного воздуха и слоев грунта вблизи поверхности земли ниже температуры грунта у основания скважины.

264

Верхняя часть сваи, находящ аяся в деятельном слое, действуеткак конденсатор, прогревая примыкающий к ней грунт. Поэтому миграция влаги при промерзании деятельного сбоя направлена соответственно температурному градиенту, т. е. от сваи. Следствием этого является уменьшение сил смерзания. Промерзание грунта в начале зимнего сезона, распространяясь радиально от поверхности сваи, препятствует расширению примыкающего к ней грунта.

Дополнительное охлаждение мерзлого грунта вызывает общее увеличение устойчивости фундамента, так как количество замерзшей воды в дисперсных грунтах при изменениях температуры около точки замерзания резко уменьшается.

Передача тепла от грунта осущ ествляется в циклическом про­ цессе испарения и конденсации жидкости, заполняющей сваю . Т е­ пловой поток снизу прекращается, как только верхняя зона ста­ новится теплее, чем нижний участок сваи. Таким образом, термосвая Л онга является сезоннодействующим устройством.

В качестве холодильного агента (испаряющейся жидкости)

266

Необходимо, однако, заметить, что недостаточно чистый пропан показывает давления более высокие, чем указанные в табл. 30.

Перед заливкой жидкого пропана термосвая освобождается от воздуха и газообразных примесей. Однако некоторое количество их остается в термосвае. При заполнении термосваи техническим пропаном давление его оказывалось на 0 ,3 5 —0,42 кгс/см 2 больше указанного в табл. 30. С другой стороны, при заполнении термосваи чистым пропаном отклонения давлений его от давлений, указанных в табл. 30, находилось в пределах ± 0 ,0 7 кгс/см 2.

Т ак как термосвая представляет собой замкнутую систему, то она работает при постоянном объеме жидкого пропана. Иногда из термосваи наблюдались утечки пропана вследствие неисправности фитингов и вентилей. После их ремонта утечки пропана прекраща­ лись. В таких случаях необходима дозаправка термосваи пропаном.

В трубу заливают пропан в количестве, достаточном для работы термосваи. Благодаря теплопритоку от окружающего грунта пропан в нижней части термосваи испаряется (кипит) и направляется в верх­ нюю часть — конденсатор. Здесь пропан сжижается и по стенкам трубы стекает обратно в термосваю.

М аксимальная производительность конденсатора термосваи достигается при окраске верхней части термосваи — конденсатора в белый цвет, при котором в наибольшей мере отражаются короткие радиационные волны и происходит высокая интенсивность при длинноволновых 'низкотемпературных излучениях. Материал окраски — свинцовые белила или окись титана; толщина слоя окраски 0,2 мм. О краску необходимо периодически возобновлять.

Термосваи, заполненные жидким пропаном, должны выпол­ няться в соответствии с действующими нормативами на строитель­ ство хранилищ горючих жидкостей, котлов и напорных резервуаров для негорючих материалов. Д ля обнаружения утечек все соединения и вентиль термосваи опрессовывают мыльным раствором.

Техническое обслуживание термосваи простое. В нормальных условиях работы термосваи применение холодильной установки исключается. Однако применение холодильной установки оказы­ вается необходимым, если, например, вблизи термосваи расположен паропровод. Тогда вместо пропана используется фреоновая уста­ новка без сущ ественных переделок термосваи.

Длительное (в течение трех лет) изучение изменения теплопотоков в грунте в зоне действия термосваи было выполнено на опытной термосвае, изображенной на рис. 133.

На рис. 133 показаны изотермы в грунте, определенные сразу после начала действия термосваи высотой 3,66 м (29 февраля 1960 г.). Температура пропана внутри сваи была — 12,72° С. Средняя темпе­ ратура атмосферного воздуха в это время была — 20,6° С, макси­ мальная — 2,77° С, минимальная — 22,7° С.

Температуры грунта до начала работы сваи представлены гори­ зонтальными изотермами. Температуры грунта измеряли медноконстантановыми термопарами с точностью до 0,17° С.

267

На рис. 134 показаны положения изотерм вокруг термосваи через37 сут (6 апреля 1960 г.) после начала работы термосваи. Темпера­ тура пропана внутри термосваи в это время была — 3,78° С, а средняя

ждения грунта термосвай продолжался вплоть до повышения темпе­ ратуры атмосферного воздуха до + 1,1° С.

работы термосваи. Температура пропана внутри сваи была — 11,8° С. Средние температуры атмосферного воздуха в районе проведения

опытных работ приведены в табл. 31.

Теплосъем термосваи, или количество тепла, которое протекало от грунта к термосвае в зимнее время при боковой поверхности конденсатора, равной 2,6 м2, определяли по эмпирической формуле

где С — температура атмосферного воздуха, °С.

Приведенные выше эмпирические формулы справедливы лишь для конкретных рассматриваемых условий работы термосваи. При других условиях (иных размерах конденсатора выступающей части термосваи), иных температурах атмосферного воздуха, температур­ ного режима грунта) зависимость q от ta будет другой.

По приведенным выше эмпирическим формулам (196) и (197) был определен теплосъем термосваи за три зимних периода. Средний за три года теплосъем составил Qi = 335 000 ккал. Средний сезонный вынос тепла из грунта или теплосъем термосваи на 1 м2 конденсатора составил

0 335 000

129 000 ккал/м 2.

2.6