Принципы и приемы управления геокриологическими условиями
При освоения криолитозоны необходимо постоянно решать вопросы, связанные с изменением геокриологических условий в нужном для народного хозяйства направлении. Постановка задач об управлении мерзлотным процессом сама по себе требует знания тех природных условий и той геокриологической обстановки, которые существуют на данный момент в естественных условиях и которые будут в дальнейшем подвергнуты искусственному преобразованию. Это положение подтверждено практикой проведения мелиоративных работ в криолитозоне.
Комплекс работ, проводимых с целью управления мерзлотным процессом, осуществляется в определенной последовательности. Первоочередным является изучение геокриологических условий территории освоения, которое базируется на выявлении частных и общих закономерностей формирования и развития сезонно- и многолетнемерзлых пород и их характеристик в зависимости от комплекса природных условий и от каждого элемента геолого-географической среды. Эта задача успешно решается в процессе проведения геокриологической съемки. Поэтому очевидно, что геокриологическая съемка должна входить составной частью в комплексные исследования по управлению мерзлотным процессом и предшествовать всем остальным исследованиям. Завершается этот этап составлением геокриологических карт.
Следующий этап работы включает характеристику и типизацию планируемых при освоении территорий техногенных нагрузок и воздействий на природную среду, выявление сопутствующих им изменений природных условий. Этот этап исследований проводится с целью получения исходных данных для геокриологического прогноза.
На основе выявленных закономерностей формирования геокриологических условий и учета влияния техногенных воздействий составляется геокриологический прогноз, по результатам которого оцениваются вероятные изменения среднегодовой температуры грунтов, их состава и свойств, глубин сезонного и многолетнего оттаивания и промерзания и возможного развития криогенных геологических процессов.
В задачи следующего этапа исследований входит выявление участков, на которых могут сформироваться геокриологические условия, не отвечающие предъявляемым к ним требованиям. Это могут быть территории, где возможна активизация криогенных процессов или невозможно реализовать принятый принцип строительства; при разработке полезных ископаемых — это территории, на которых не может быть реализован планируемый способ добычи и т.д. Для таких территорий на основе результатов прогноза обосновывается необходимость целенаправленного изменения геокриологических условий (распространения и условий залегания многолетнемерзлых пород, температурного режима, глубин сезонного промерзания и оттаивания, состава, строения, свойств сезонно- и многолетнемерзлых пород, развития мерзлотно-геологических процессов).
Целенаправленное изменение отдельных характеристик мерзлых пород может быть осуществлено с применением различных методов и приемов мелиорации. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбрать наиболее приемлемые, рациональные способы. Для этого прежде всего необходимы исследования приемов водно-тепловой мелиорации и обоснование возможности применения в данном районе того или иного метода для направленного изменения природной обстановки с целью формирования нужных мерзлотных условий. Должна быть дана оценка экономичности использования мероприятий с учетом времени, отведенного для их проведения. Необходимо отметить, что каждый прием наряду с основным (прямым) воздействием на отдельные элементы природной обстановки косвенным образом в большей или меньшей степени обусловливает изменения всех прочих элементов геологической среды. В некоторых случаях это может приводить к нежелательным изменениям геокриологических условий. Итогами этого этапа являются составление проекта мероприятий по целенаправленному изменению мерзлотных условий, районирование территории с выделением участков, характеризующихся одинаковыми мерзлотными условиями и требующих определенных приемов (или комплекса приемов) по управлению мерзлотным процессом.
На заключительном этапе исследований дается характеристика каждого из выделенных участков мелиорируемой территории по тем «улучшенным» геолого-географическим и геокриологическим условиям, которые будут иметь место после осуществления мелиорации. Результаты отражаются на послемелиоративных геокриологических картах.
Для целенаправленного изменения геокриологических условий проводят ряд мероприятий в следующей последовательности.
1. Изучение геокриологических условий территории в процессе проведения инженерно-геологических изысканий и мерзлотной съемки (ландшафтное микрорайонирование, выявление частных и общих закономерностей формирования сезонно- и многолетнемерзлых пород, составление геокриологических карт).
2. Типизация и характеристика техногенных воздействий и нагрузок на элементы природной среды.
3. Прогноз изменения геокриологических условий в связи с естественной динамикой климата и под воздействием комплекса инженерных мероприятий при хозяйственном освоении территории.
4. Обоснование необходимости целенаправленного изменения геокриологических условий и выявление вариантов искусственного преобразования природных условий для создания требуемой геокриологической обстановки.
5. Исследование приемов водно-тепловой и физико-химической мелиорации и определение оптимального комплекса этих приемов с целью формирования необходимых мерзлотных условий.
6. Составление проекта мероприятий по целенаправленному изменению геокриологических условий (обоснование экономичности и эффективности выбранного комплекса приемов мелиорации, технологии их проведения, районирования территории для мелиоративных мероприятий).
7. Составление послемелиоративных карт.
В настоящее время существует большое число приемов управления мерзлотным процессом, которое неуклонно растет. Некоторые из приемов мелиорации мерзлых грунтов, широко использующихся при хозяйственном освоении криолитозоны, были рассмотрены выше. С целью упорядочения существующих методов В.А. Кудрявцевым и Э.Д. Ершовым (1969) была разработана классификационная схема приемов по направленному изменению геокриологических условий, позволяющая выбрать наиболее эффективные мероприятия применительно к любым видам хозяйственного освоения криолитозоны. Построение классификационной схемы основано на учете как теплофизической, так и геолого-географической сторон мерзлотного процесса, подвергающегося управлению. Весь существующий комплекс приемов разделяется на три группы.
Первая группа приемов позволяет направленно изменять мерзлотный процесс благодаря изменению параметров внешнего теплообмена (табл. 1.4.1). Она включает две системы приемов, одна из которых регулирует соотношение составляющих радиационного баланса, другая — теплового баланса. Каждая система состоит из трех отделов, которые направленно изменяют элементы внешнего теплообмена: суммарную и отраженную коротковолновиую радиацию, эффективное излучение земной поверхности, турбулентный теплообмен с приземным воздухом, теплоту фазовых превращений влаги (испарение—конденсация), теплообмен поверхности с нижележащими породами.
Основными мероприятиями, изменяющими внешний теплообмен, являются: устройство навесов, покрытие поверхности различного рода теплопрозрачными пленками,
искусственное окрашивание поверхности, удаление и насаждение растительного покрова, кустарников, деревьев, изменение условий снегонакопления и др.
Вторая группа объединяет мероприятия, направленные на регулирование процессов тепло- и массообмена в грунте посредством изменения состава и свойств пород (см.табл. 1.4.1). Она подразделяется на две системы приемов, изменяющих:
первая — состав, свойства и тепловое состояние; вторая — свойства и тепловое состояние мелиорируемых пород. В первой выделяются два отдела, один из которых включает мероприятия, позволяющие направленно менять состав органоминеральной части пород, другой — направлен на изменение их влажностного режима. Мероприятия второй системы позволяют регулировать тепло- и массообмен в грунтах посредством изменения свойств и теплового состояния пород без существенного преобразования их вещественного состава.
Табл. 1.4.1
Классификационная схема приемов управления мерзлотным процессом (Кудрявцев, Ершов, 1969 с изменениями)
Группа приемов регулирующих внешний теплообмен
| Система приемов | Отделы приемов | Параметры, через которые могут быть преобразованы направленно изменяемые элементы природного комплекса | Приемы управления | |
| Система приемов, регулирующих соотношение составляющих радиационного баланса | Суммарная коротко-волновая радиация, Q+q | А. Прозрачность атмосферы. Б. Угол наклона поверхности к горизонту. В. Экспозиция местности | Устройство навесов затенение путем насаждения деревьев, кустарников, изменение угла наклона поверхности и планировка местности экранирование поверхности теплопрозрачным пленками | |
| Отраженная коротко-волновая радиация (Q+q)A | А Характер и высота покрова на поверхности Б. Цвет поверхности В. Шероховатость поверхности. Г. Влажность поверхностного слоя почвы | Удаление естественных покровов, искусственное окрашивание поверхности (зачернение, забеление и др.), рыхление, укатка, увлажнение, осушение поверхностного слоя пород | ||
| Эффективное излучение земной поверхности J, | А. Температура воздуха и упругость водяного пара. Б. Цвет поверхности, ее шероховатость, характер и высота покрова. В. Температура излучаемой поверхности | Дымление, экранирование поверхности светопрозрачными пленками, снегом и другими покровами, удаление с поверхности грунта растительного и снежного покровов, непосредственное регулирование температуры поверхности | ||
| Система приемов, регулирующих составляющие теплового баланса | Турбулентный теплообмен с приземным воздухом Р | А. Профиль ветра. Б. Мера шероховатости поверхности. В. Температура поверхности пород. Г. Влажность поверхностного слоя пород | Устройство ветровых преград (щиты лесопосадки и др.) изменение шероховатости поверхности естественное оттаивание мерзлых пород при послойной разработке, непосредcтвенное регулирование температуры и влажности поверхностного слоя пород | |
| Теплота фазовых превращений влаги LE | А. Влажность и условия подтока влаги в поверхностном слое пород. Б. Профиль ветра. В. Мера шероховатости поверхности. Г. Температура поверхности пород | Рыхление и укатка поверхностного слоя пород, оттаивание мерных пород при послойной разработке, покрытие поверхности слабовлагопроницаемым материалом (мульча, синтетические пленки и др.) обработка верхнего слоя пород поверхностно-активными веществами, регулирование скорости ветра и температуры поверхности пород | ||
| Теплообмен с нижележащими породами В | А. Температура поверхности пород. Б. Температурный режим пород (градиенты температур в грунте). В. Состав влажность и свойства пород | Регулирование мощности и свойств снежного и растительного покровов, перекрытие грунта теплоизоляционными материалами (пенопласты, снежно-ледяные воздушно-ледяные, водно-ледяные и пр. искусственные покровы) |
Продолжение табл. 1.4.1
Группа приемов, регулирующих теплообмен в грунте посредством преобразования состава и свойств мелиорируемых пород
| Система приемов | Отделы приемов | Параметры, через которые могут быть преобразованы направленно изменяемые элементы природного комплекса | Приемы управления |
| Система приемов, изменяющих состав, свойства и тепловое состояние мелиорируемых пород | Группа приемов регулирую-щих состав органо-мине-ральной части пород | А. Гранулометрический, химико-минералогический состав породы и состав обменных катионов. Б. Содержание органического вещества | Полная или частичная замена мелиорируемых пород кольматация, цементация битумизация, силикатизация, пропитка грунта синтетическими смолами, вымывание (вынос) из породы мелкозема направленное изменение состава и содержания обменных катионов в породе, многократное изменение теплового состояния пород, известкование кислых почв и гипсование солонцеватых почв, гумусирование почвы и внесение минеральных и бактериальных удобрений в почву |
| Влажность (льдистость) пород и состав почвенного воздуха | А. Гранулометрический, химико-минералогический состав пород. Б. Трещиноватость и пористость пород. В. Условия питания, фильтрации и стока подземных вод. Г. Тепловое состояние, температурный режим пород, а также условия промерзания и миграции влаги в породе | Обводнение (орошение) и осушение (дренаж) пород морозный дренаж, электроосмос и электрохимическое закрепление пород, изменение состава и содержания обменных катионов в породе, кольматация, цементация, битумизация, силикатизация, пропитка грунтов синтетическими смолами, глубокое рыхление и искусственное уплотнение грунтов, изменение уровня подземных вод, замораживание или оттаивание пород и регулнрование скорости их промерзания | |
| Система приемов, изменяющих свойства и тепловое состояние пород | Свойства и тепловое состояние пород | А. Структурно-текстурные особенности пород (в том числе характер подземных льдов и криогенная текстура пород). Б. Тепловое состояние и темпера-турный режим пород. В. Условия промерзания — оттаивания пород | Глубокое рыхление пород, уплотнение грунтов с помощью кумуфлетного взрыва, уплотнение и разуплотнение грунтов с помощь вибраторов, замораживание—оттаивание пород, изменение условий промерзания пород и непосредственное регулирование их температурного режима |
Продолжение табл. 1.4.1.
Группа приемов, изменяющих температурный режим и тепловое состояние мелиорируемых пород посредством использования дополнительных источников и стоков тепла
| Система приемов | Отделы приемов | Параметры, через которые могут быть преобразованы направленно изменяемые элементы природного комплекса | Приемы управления |
| Группа приемов, изменяющих температурный режим и тепловое состояние мелиорируемых пород посредством использования дополнительных источников тепла | Теплоноситель – вода, пар | А. Состав, влажность, свойства пород, их температурный режим. Б. Коэффициент фильтрации пород в талом состоянии. В. Характер подземных льдов, криогенные текстуры пород. Г. Продольный уклон местности. ДГ. Температура используемой воды, тепловые свойства пород и их температурный режим. Е. Расход воды в фильтрационном потоке | Фильтрационно-игловой. Фильтрационно-дренажный. Дождевально-инфильтрационный. Кондуктивно-инфильтрационный (тепловые ванны). Паровая иглооттайка |
| Электрическая энергия | А. Льдистость, криогенные текстуры, количество незамерзающей влаги, температурный режим и свойства пород. Б. Величина подаваемого напряжения на электроды. В. Форма и размер электродов | Объемный прогрев пород посредством электротока, протекающего через грунт. Электронагреватели | |
| Термохимичес-кие смеси | А. Состав, влажность, свойства пород и их температурный режим. Б. Вид термохимических смесей. В. Количество (объем) используемых смесей | Использование теплового эффекта физико-химических реакций | |
| Группа приемов, изменяющих температурный режим и тепловое состояние мелиорируемых пород посредством использования дополнительных стоков тепла | Теплоноситель - воздух | А. Состав, влажность, свойства грунта. Б. Характер подземных льдов, криогенные текстуры пород и их температурный режим. В. Величина поверхности охлаждающей системы. Г. Объем (расход) воздуха в охлаждающей системе и его температура | Естественное промораживание пород при взаимодействии атмосферного воздуха с оголенной поверхностью грунтового массива. Охлаждающие устройства (проветриваемые подполья, вентиляционные трубы) |
| Термохимичес-кие смеси | А. Состав, влажность, свойства пород и их температурный режим. Б. Вид термохимических смесей. В. Количество (объем) используемых смесей | Холодильные машины. Охлаждающие установки различного типа. Зеротеры |
Приемы третьей группы применяются для изменения температурного режима и теплового состояния мелиорируемых пород с использованием дополнительных источников и стоков тепла (см. табл. 1.4.1). Они подразделяется на две системы, использующие естественные и искусственные источники и стоки тепла. Первая включает два отдела в которых в качестве искусственных источников тепла для интенсификации процесса оттаивания грунтов используется вода, пар, электрическая энергия, термохимические смеси. Вторая также состоит из двух отделов, в которых для охлаждения и промораживания грунтов используется воздух, термохимические смеси.
Остановимся более подробно на приемах третьей группы, которые в настоящее время наиболее широко применяются при разработке россыпных месторождений и в строительстве.
Приемы, основанные на использование искусственных источников тепла используются в горнодобывающей промышленности и в строительстве. В практике разработки россыпных месторождений наибольшее распространение получили методы, где в качестве теплоносителя используется вода. К таким методам относится гидроиловое, дождевальное, фильтрационно-дренажное оттаивание мерзлых грунтов.
Метод гидрооттайки состоит в оттаивании мерзлых грунтов посредством иглофильтров (гидроигл), в которые под напором нагнетается вода (рис. 1.4.1, а). В зависимости от фильтрующей способности грунта гидроиглы располагают на расстоянии 3—5 м друг от друга. Гидроиглы погружают в грунт с помощью буровых станков. Гидроигловой метод оттаивания рекомендуется использовать для грунтов с коэффициентом фильтрации более 0,01 м/сут. Это дорогой метод, однако при строительстве на крупноскелетных грунтах, особенно в условиях высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов, он позволяет провести работы по предпостроечному оттаиванию в течение 10—12 дней на глубину более 10 м (до 25 м).
Дождевальное оттаивание применяют для подготовки участков россыпей, сложенных породами, с высокой водопроницаемостью в талом состоянии. Метод заключается в разбрызгивании воды из расположенных по сетке дождевальных установок (рис. 1.4.2, а). Для интенсификации процесса применяют пленочные покрытия, снижающие затраты тепла на испарение и уменьшающие турбулентный теплообмен, и солевые растворы, которые позволяют переводить грунт из мерзлого в талое состояние при отрицательных температурах.
Фильтрационно-дренажное оттаивание мерзлых пород осуществляется в результате теплоотдачи горизонтального фильтрационного потока, который создается в талом слое под действием разности уровней воды в оросителе и дрене (см. рис. 1.4.2, б). Ввиду небольших напорных градиентов фильтрационного потока способ применим для оттаивания пород, обладающих в талом состоянии коэффициентами фильтрации более 40 м/сут.
Для предпостоечного оттаивания многолетнемерзлых грунтов в промышленно-гражданском строительстве чаще всего используются методы, где в качестве теплоносителя применяется пар или электрическая энергия.
Оттаивание паром мерзлых грунтов производится с помощью паровых игл (см. рис. 1.4.1, б) открытым (когда пар выпускается в конце трубы в грунт) и закрытым (когда пар циркулирует внутри трубы) способами. На практике чаще применяют открытый способ. Погружение паровых игл в грунт происходит под действием собственного веса или незначительного побуждения ударным способом Применение пара позволяет оттаивать мерзлый грунт в основном до глубины 10 м.
Электрооттаивание мерзлых грунтов является наиболее индустриальным способом и применяется в любых грунтах при наличии постоянных источников электроснабжения. Технология оттаивания электропрогревом основана на использовании закона Джоуля—Ленца. Существуют два способа использования токоприемников — в качестве электродов и в качестве электронагревателей. В первом случае используется переменный трехфазный ток напряжением 380 В. Электроды, представляющие специальные стальные иглы, заглубляют на заданную глубину и располагают параллельными рядами с шагом 2—2,5 м (см. рис 1.4.1, в). Метод рекомендуется в основном для глинистых грунтов. Затраты электроэнергии составляют 60—80 кВт/м3. Во втором случае для прогрева грунта используют электролитические или омические нагреватели (см. рис. 1.4.1, д). Питание электронагревателей осуществляется переменным током напряжением 20—30 В. Электролитические нагреватели обычно располагаются по сетке 3х2 м; омические — по сетке 6х5 м. Наиболее эффективно комбинированное использование токоприемников: на начальной стадии оттаивания в качестве электронагревателей (электролитических или омических), далее — в качестве электродов с использованием переменного тока высокого напряжения. Сочетание двух методов позволяет существенно увеличить скорость оттаивания многолетнемерзлых грунтов.
Рис. 1.4.1. Способы оттаивания мерзлых грунтов: а — гидроигловой (1 - распределительный трубопровод, 2 - гидроиглы, 3 - дренажный колодец с насосом); б — паровыми иглами (1 - паропровод, 2 - паровые иглы, 3 - защитные колпаки, 4 - паровой котел), в— трехфазным переменным током (1 - электропровод, 2 - электроды, распределенные по фазам А, В, С); г — электролитическими нагревателями (1 - электропровод, 2 -.3 — электроды соответственно внутренний и внешний, 4 - электролит); д — омическими нагревателями (1 - электропровод, 2 - электрод, 3 - буровая скважина); 1.-.3 — грунты (1 - гравийно-галечниковый, 2 - супесчаный, 3 - суглинистый), 4 - граница многолетнемерзлых грунтов
Рис. 1.4.2. Схемы оттаивания мерзлых грунтов дождевальным (а) и фильтрационно-дренажным (б) способами: 1 - распределительные трубопроводы; 2 - дождевальные насадки; 3 - дренажный колодец с насосом; 4—5 - канавы (4 - оросительная, 5 - дренажная); 6 — уровень грунтовых вод; 7— гравийно-галечные грунты; 8— граница многолетнемерзлых грунтов
Термохимический метод оттаивания мерзлых грунтов заключается в применении в качестве источников тепла теплохимических реакций. Для этого используется термит, увлажненная негашеная известь. В результате гашения извести развиваются температуры до нескольких сотен градусов, что обусловливает оттаивание мерзлых грунтов. Кроме того, при гашении известь резко увеличивается в объеме, что приводит к уплотнению оттаивающего грунта.
После предварительного оттаивания многолетнемерзлых грунтов необходимо их уплотнение и упрочнение, которое выполняются теми же методами, что и на талых.
Механическое уплотнение осуществляется трамбованием, виброуплотнением, иногда с добавлением поверхностно-активных веществ. Трамбование применяют для маловлажных (если степень насыщения водой менее 0,7%) грунтов. Глинистые грунты уплотняют трамбовкой на глубину 1,5—2 м. Глубинное уплотнение вибраторами позволяет уплотнять мелкопесчаные грунты до глубины 10 м.
К физическим методам относится уплотнение нагрузкой, обжатием с помощью понижения уровня грунтовых вод и т.п. Для слабых водонасыщенных глинистых грунтов наиболее эффективным методом является вертикальный песчаный дренаж, который ускоряет консолидацию их в несколько десятков раз. Вертикальное дренирование осуществляют засыпкой песка в буровые скважины специальными песчаными дренами диаметром 40—50 см на расстоянии 2—3 м друг от друга. Метод уплотнения грунта с помощью понижения уровня грунтовых вод основывается на увеличении веса грунта при временном понижении уровня.
Химическое уплотнение и закрепление грунтов производят инъецированием в грунт химических растворов, при затвердении которых образуется прочное основание. Химические методы применимы для водопроницаемых грунтов.
Электрохимический (физико-химический) метод заключается в применении электроосмотического обезвоживания. В процессе электроосмоса в водонасыщенных коллоидных глинистых и пылеватых грунтах возникает напорное движение поровой воды к катоду и увеличивается эффективное давление на скелет грунта у анода, что, с одной стороны, способствует обезвоживанию грунта, а с другой — уплотнению его скелета. Метод применяется в дисперсных грунтах.
Электроосмотическое уплотнение производится постоянным током. Уплотненный массив имеет несколько контуров электродов (рис. 1.4.3). Электроды внешнего контура являются катодами, внутреннего — анодами. Электроды одновременно служат вертикальными дренами. Для равномерного закрепления грунта электроосмосом необходима химическая добавка — насыщенный раствор извести с 7-процентным содержанием хлористого кальция. Часто метод используется одновременно с закрепляющими реагентами, например с инъекцией жидкого стекла. Электроосмотическое обезвоживание применяется, как правило, после электрооттаивания грунтов теми же электродами, но с измененной электрической схемой цепи.
Рис. 1.4.3. Схема электроосмотического уплотнения грунтов: 1 – электропровод; 2 – электроды; 3 – фильтры; 4 – соединительный шланг; 5 - водосброс
Предохранение оттаявшего слоя грунта от сезонного промерзания является важной частью мелиорации пород, поскольку оттаивание и разработка оттаянных пород или строительство на них редко осуществляются в течение одного сезона. Глубокое зимнее промерзание вызывает дополнительные затраты на оттаивание сезонномерзлого слоя, сокращает сроки работ по дальнейшему оттаиванию грунтов. Для уменьшения глубины промерзания или недопущения промерзания производят искусственное увеличение мощности снега, теплоизоляционные покрытия, затопление водой и т.д. В качестве теплоизолирующих покрытий могут быть использованы местные материалы — мох, хвоя, опилки и т.д. или синтетические искусственные теплоизоляторы — пенопласты, пенополистиролы и др. Полное предохранение грунта от сезонного промерзания достигается при затоплении участков слоем воды на глубину несколько большую, чем глубина промерзания естественных водоемов.
Другим направлением в области мелиорации является целенаправленное охлаждение мерзлых грунтов или промораживание талых грунтов. На практике это осуществляется разными способами. Наиболее простыми из них являются методы с использованием естественного охлаждения (систематическое удаление снега в зимний период, затенение или защита поверхности грунта теплоизоляцией летом, сооружение проветриваемых подполий, укладка в основания сооружений труб с естественной вентиляцией в холодный период и др.). Целесообразность применения того или иного метода подтверждается теплотехническим расчетом.
Для ускорения процесса производится искусственное охлаждение путем нагнетания холодного воздуха в скважины, пройденные на всю мощность охлаждаемой зоны, или в замораживающие колонки специальных воздушных установок, опущенных в эти скважины (рис.21.6). Теплосъем с такой колонки, поданным С.М. Филиповского, составляет 130—140 Вт/м2. Глубина охлаждения (замораживания) достигает 17—20 м. Недостатком способа является необходимость затрат электроэнергии, наличия постоянного обслуживающего персонала и частых ревизий замораживающих колонок для удаления из них инея и ледяных пробок.
Наиболее эффективным является машинное охлаждение (замораживание) грунтов аммиачно-рассольными установками, обеспечивающими теплосъем до 300 Вт/м2 замораживающей колонки. Однако машинное охлаждение — дорогостоящее мероприятие и требует постоянного обслуживания при эксплуатации. Поэтому оно применяется в ограниченных случаях в гидротехническом и горном деле для ликвидации аварий сооружений, обусловленных оттаиванием многолетнемерзлых пород, для предварительного промораживания оснований при необходимости сокращения сроков строительства, а также проходки глубоких шахтных стволов и тоннелей в сильнообводненных породах. Достигнутая в настоящее время глубина промораживания грунтов для проходки шахтных стволов составляет более 600 м.
Получил распространение и способ охлаждения грунтов с использованием циркуляции хладоносителей по трубам, уложенным вблизи фундаментов сооружений. Проектирование этого метода обычно предусматривает также и устройство проветриваемого подполья. Применение такого сложного трудоемкого способа сохранения мерзлого состояния грунтов оправдано при строительстве очень ответственных сооружений, а также зданий и сооружений с высоким тепловыделением.
Эффективными по простоте эксплуатации и экономичности являются саморегулирующие сезоннодействующие охлаждающие установки (СОУ), или, как их называют, термосваи. Конструкции термосвай были разработаны в 60-х годах почти одновременно в России С.И. Гапеевым и в США Е.А. Лонгом. Принцип их работы основан на замкнутой конвекции хладоагента — жидкостного, обычно керосина (термосваи Гапеева), или парожидкостного, обычно пропана, аммиака, фреона (термосваи Лонга). Конвекция обусловливается разностью плотностей хладоагента в надземной и подземной частях установок (рис. 1.4.4). В холодный период температура верхнего оголовка сваи ниже, чем температура грунта на глубине нижнего конца сваи. В этих условиях пропан (в термосваях Лонга), испаряясь, поднимается вверх, конденсируется на стенках сваи и в виде жидкости с температурой, близкой к температуре воздуха, поступает в основание сваи, охлаждая прилегающий грунт. Жидкостные термосваи работают по этому же принципу – холодный керосин, опускаясь, вытесняет вверх менее плотный и теплый, при этом охлаждает грунт.
В настоящее время разработаны и внедрены многие модификации жидкостных и парожидкостных охлаждающих установок, отличающихся высокими показателями охлаждения, однако принцип работы всех этих конструкций остается тем же.
Рис. 1.4.4. Конструкции саморегулирующихся сезоннодействующих охлаждающих установок: а — жидкостных (система С.И.Гапеева); б— парожидкостных (система Е.А. Лонга); 1— радиатор: 2 — хдадоагент (керосин); 3 — насыпной грунт: 4 — хладоагент (пропан)
Жидкостные и парожидкостные системы представляют собой практически автоматические установки охлаждения многолетнемерзлых грунтов, не нуждающиеся в уходе. Они могут применяться как самостоятельно, так и монтироваться в теле свайного фундамента, поэтому их часто называют термосваями. Средняя хладопроизводительность жидкостных термосвай составляет 25—50 вт/м2, у парожидкостных — 60—100 Вт/м2. Практически достигнутая глубина охлаждения жидкостными термосваями составляет 25 м, парожидкостными — 50 м. Этот способ охлаждения (замораживания) может быть использован в условиях несплошного распространения многолетнемерзлых пород или несливающейся мерзлоты для предпостроечного промораживания грунтов основания при строительстве по методу допущения промерзания в ходе строительства и эксплуатации, для повышения несущей способности грунтов и поддерживания заданной температуры многолетнемерзлых оснований зданий и сооружений. Саморегулирующиеся охлаждающие установки широко используют в гидротехническом строительстве для создания и поддержания в мерзлом состоянии противофильтрационных ядер грунтовых плотин, в линейном строительстве — при сооружении опор мостовых переходов, трубопроводов, линий электропередач (ЛЭП), эстакад, для создания мерзлотных завес и др.
Один из недостатков жидкостных и парожидкостных термосвай заключается в том, что в летний период, когда термосваи не работают, возле них существенно повышается температура грунта. Этот недостаток устраняется применением устройств (зеротеров), аккумулирующих холод в зимний период. Зеротеры, представляющие собой оболочку, заполненную замерзающей при температуре ниже 00С жидкостью (антифризом), монтируют возле термосваи. С наступлением зимнего периода термосвая включается в работу, охлаждает (замораживает) грунт и промораживает антифриз. Летом температура поверхности зеротера остается равной температуре плавления антифриза, т.е. поддерживается отрицательной, что обеспечивает заданную несущую способность основания.
Выбор приемов управления должен быть строго индивидуальным в каждом конкретном случае и определяться условиями геолого-географической среды, особенностями вида хозяйственного освоения, степенью эффективности применения.
При планировании мелиоративных мероприятий следует иметь в виду, что любой прием, любые мероприятия, используемые для изменения какого-либо параметра природной обстановки, неизбежно повлекут за собой изменение в той или иной степени всего комплекса характеристик мелиорируемого грунта. Поэтому решение о применении определенного мероприятия, направленного на изменение мерзлотной обстановки, должно приниматься на основе выявления влияния данного приема на все факторы геолого-географической среды. Как правило, мелиоративные работы включают не один, а несколько приемов, дополняющих друг друга.
Литература
Кудрявцев А.В., Ершов Э.Д. Классификационная схема приемов по направленному изменению мерзлотных условий. // Мерзлотные исследования. Вып. IX. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1969. С. 155-157.
Основы геокриологии. Том 5. Инженерная геокриология / Под ред. Э.Д. Ершова. М.: Изд-во МГУ, 1999. 526 с.
Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне: Учебник. М.: Изд-во МГУ, 2005. 542 с.