Estabilización térmica de suelos de cimentación— un conjunto de medidas de calor y recuperación destinadas a garantizar un estado térmico estable y estable de los suelos de acuerdo con el principio de diseño elegido de utilizar suelos como base durante todo el período de funcionamiento de la instalación (STO Gazprom 2-2.1-390-2009 ).
Al diseñar estructuras en suelos de permafrost (PMG), las organizaciones de diseño enfrentan los siguientes problemas:
1) Los suelos en estado de congelación no tienen las características de soporte necesarias (suelos congelados a alta temperatura), lo que conduce a un aumento en el número de pilotes de cimentación para absorber las cargas de la estructura y un aumento en el costo del proyecto.
2) La sección geológica en el sitio de construcción está representada por MMG de un tipo que no se fusiona, que durante la operación de la instalación puede conducir tanto a su descongelación (asentamiento de cimientos) como a su congelación (asentamiento de cimientos).
3) Por razones tecnológicas, existen restricciones a la instalación de un subterráneo ventilado debajo de un edificio o estructura generadora de calor (o su altura no es suficiente), que sin medidas adicionales puede conducir al deshielo de la MMG.
4) En el área de distribución de MMG, el sitio diseñado cae en el área de distribución de suelos descongelados con características de bajo porte.
5) Debido a la lejanía del área de construcción y las dificultades con la entrega de equipos de perforación e hincado de pilotes, el Cliente desea reducir costos y está considerando la opción de disponer una cimentación superficial en lugar de una cimentación sobre pilotes.
6) Los levantamientos de suelos están muy extendidos en la zona, lo que tiene un impacto negativo en los cimientos de las estructuras y conduce a su deformación (especialmente para cimientos de mástiles, pasos elevados, cajas de bloques pequeños, etc.).
7) Es necesario diseñar un dique de suelo local, y suelos con las características requeridas (bajos coeficientes de filtración) no son suficientes.
Todos estos problemas, en un grado u otro, se pueden solucionar aplicando sistemas de estabilización térmica de suelos.
Nuestra empresa realiza tanto un conjunto completo de documentación de diseño para la estabilización térmica de suelos (secciones: ingeniería térmica, modelado de sistemas de estabilización térmica con pronóstico del estado de los suelos, monitoreo geotécnico), como un modelado parcial de la interacción entre una estructura y el medio geológico. ambiente, cálculos de variables de estabilización térmica, etc. Se puede ver un ejemplo de una aplicación gráfica para el proyecto
Un ejemplo de cálculo de la estabilización térmica de suelos usando BET
Instrumentos y dispositivos utilizados para la estabilización térmica de la base del suelo: dispositivos de enfriamiento estacional ( ASD), dispositivos de refrigeración durante todo el año ( KOU), dispositivos de refrigeración abiertos ( OO), pantallas termoaislantes, sistemas de vigilancia (registradores, termopares, puntos de referencia).
SEMBRAR ( en la literatura, se puede encontrar el nombre termosifones o estabilizadores de calor simples) - dispositivos basados en el intercambio de calor acelerado entre el suelo y el aire debido a las transformaciones de fase y la circulación del refrigerante en un intercambiador de calor cerrado. El SDA consta de un condensador (que se encuentra en la parte aérea) y un evaporador (parte subterránea), a veces se distingue una parte de tránsito, que es importante para un SDA tipo ancla. La eficiencia de la SOU depende en gran medida de la relación entre el área del evaporador y el área total del condensador. Por el momento, los SDA se utilizan ampliamente en todas las regiones del norte de Rusia. SOU se instala tanto en posición vertical como horizontal. En algunos dispositivos con una gran longitud de la parte evaporativa, se instalan bombas para acelerar el proceso de intercambio de calor.
SOU con un sistema bifurcado de radiadores, en la parte superior hay una grúa para repostaje (República de Komi, Vorkuta).
SOU con un radiador, en la parte superior hay una grúa para repostar (República de Komi, Vorkuta).
Siembra con un sistema bifurcado de radiadores inclinados en forma de V. Se concibió una forma similar para una operación más eficiente con y sin viento (Komi Republic, Vorkuta).
SOU con aletas horizontales y el uso de una manga que sirve para controlar el proceso de congelación, así como para cambiar el estabilizador de calor.
El uso de SDA simple con aletas horizontales para congelar una parte del sitio (Okrug autónomo de Yamal-Nenets, campo de Yubileinoye Gazprom dobycha Nadym).
Aplicación de un sistema de enfriamiento de aletas verticales para congelar el núcleo de la presa (República de Yakutia (Sakha), Yakutsk).
Modelo de interacción de sistemas de estabilización térmica horizontal de SDA simple con un edificio sin soterramiento ventilado.
KOU - Los estabilizadores térmicos durante todo el año están conectados a máquinas de refrigeración que se encienden en la estación cálida. Tales sistemas se utilizan por regla general en dos casos. El primero es bajo condiciones difíciles del suelo (suelos fluidos, etc.), cuando es necesario congelar (bajar la temperatura) el suelo (a) en poco tiempo. El segundo son los objetos sobre una base superficial con un alto requerimiento de capacidad portante (tanques grandes), cuando no es posible aplicar una pantalla termoaislante. La aplicación real de KOU existe en el sistema de oleoductos de Kharasavey. También existe la leyenda de que existe un sistema similar bajo el edificio de la Universidad Estatal de Moscú para garantizar la mejor capacidad de carga de las arcillas jurásicas.
OU- varios dispositivos de soplado de aire que funcionan, por regla general, debido al movimiento natural del aire. antes del uso activo de los SDA, eran el medio principal para enfriar el subsuelo debajo de las casas. El dispositivo consta de una entrada de aire de varios diseños y un conducto de aire (tubería). En el caso de instalación de OOU en el subsuelo equipado con protectores de nieve, cuando el aire pasa desde la calle a través de un orificio estrecho, se produce un efecto de estrangulamiento, que baja la temperatura en el subsuelo.
Para el diseño correcto de los sistemas de estabilización térmica, es necesario realizar cálculos de ingeniería térmica de la interacción de suelos, estructuras y sistemas de estabilización térmica durante todo el período de operación. No es suficiente realizar el modelado antes de alcanzar la temperatura de diseño, debido al posible sobreenfriamiento del suelo y la activación del agrietamiento por heladas. Nuestra empresa cuenta con todos los permisos para el diseño de trabajos de estabilización térmica de suelos, todos los cálculos se realizan en nuestro propio software certificado, creado para la producción de dichos trabajos.
Estabilización térmica de suelos
En las últimas décadas, ha habido un aumento en la temperatura de los suelos de permafrost. Esto provoca los riesgos de que se produzcan estados de tensión-deformación más allá del diseño de los suelos de cimentación, cimientos, edificios y estructuras erigidas sobre dichos suelos.
Este grave problema afecta cada año a un número cada vez mayor de objetos operados sobre cimientos compuestos de suelos de permafrost (se producen precipitaciones desiguales, hundimiento de cimientos, destrucción de elementos estructurales, etc.).
La construcción de edificios y estructuras en suelos de permafrost se lleva a cabo de acuerdo con dos principios:
El primer principio se basa en la preservación del estado de permafrost de los suelos durante el período de toda la operación de un edificio o estructura;
El segundo principio implica el uso de suelos como bases en estado descongelado o descongelado (la descongelación preliminar se realiza a la profundidad estimada antes del inicio de la construcción o se permite la descongelación durante la operación;
La elección del principio depende de la situación geocriológica y de ingeniería. Es necesario tener en cuenta y comparar la adecuación de los principios. El primer principio implica que es más rentable mantener los suelos congelados que reforzar los descongelados.
El segundo principio es más adecuado cuando la descongelación del suelo conduce a deformaciones de los suelos de cimentación que se encuentran en el rango de valores aceptables para un edificio o estructura en particular. Este principio, por ejemplo, es adecuado para suelos rocosos y congelados, cuyas deformaciones son pequeñas en estado descongelado.
Estabilización térmica de suelos
Estabilización térmica de suelos congelados está diseñado para brindar la posibilidad de erigir edificios y estructuras de acuerdo con el segundo principio.
Se utilizan una serie de medidas para mantener los suelos en un estado congelado. Uno de los métodos efectivos y rentables es bajar la temperatura de los suelos usando estabilizadores de calor.
Estabilizador térmico de suelos (TSG) es un sifón vapor-líquido. Este es un dispositivo de enfriamiento estacional cargado de refrigerante para reducir la temperatura del suelo.
TSG se sumerge en pozos perforados junto a la cimentación para bajar la temperatura de la masa de suelo, que es la base de la cimentación. Parte del dispositivo es un evaporador que toma calor del suelo y un condensador que emite calor a la atmósfera circundante.
En el estabilizador térmico se produce la circulación por convección natural del refrigerante, que pasa de un estado de agregación a otro: de gas a líquido y viceversa.
El refrigerante condensado (amoníaco licuado o dióxido de carbono) naturalmente, bajo la influencia de la diferencia de temperatura, desciende a la parte inferior del TSG al suelo. Después de tomar calor de ellos, se convierte en vapor y, al evaporarse, regresa a la superficie, donde nuevamente transfiere calor al aire circundante a través de las paredes del radiador-condensador, se condensa. Después de que el ciclo se repite de nuevo.
La circulación del refrigerante puede ser de convección natural-gravedad o forzada. Depende del diseño del termostato.
El tipo, diseño y número de estabilizadores de calor se seleccionan sobre la base de cálculos individuales para cada objeto.
Los estabilizadores térmicos han demostrado su eficacia: con su ayuda, es posible mantener los suelos en un estado de permafrost y garantizar la resistencia y estabilidad de la losa de suelo helado debajo de la estructura.
La circulación por convección del refrigerante se basa en el gradiente de temperatura del suelo y del aire exterior.
Durante el período estival, como
solo la temperatura del condensador: la parte superior atmosférica del termostato,
llega a ser más alta que la temperatura del refrigerante,
la circulación se detiene y el proceso se suspende con descongelación inercial parcial de la capa superior del suelo hasta el próximo enfriamiento.
Esquemas de instalaciones según el método de instalación y diseño:
Estabilizador térmico de fondo de pozo único (OST)
El dispositivo más simple que le permite realizar trabajos de instalación tanto en construcción como en edificios y estructuras existentes. OST se puede instalar tanto verticalmente como en un ángulo de inclinación de 45 grados con respecto a la superficie;
Sistema horizontal de estabilizadores térmicos (HTS) es un sistema de tuberías evaporadoras ubicadas en un plano horizontal en la masa del suelo, que es la base de la cimentación. El refrigerante de los tubos del evaporador se transfiere al condensador de superficie. El dispositivo del GTS es recomendable para obra nueva, cuando es posible construir un foso;
Sistema vertical de estabilizadores térmicos (VST) combina un sistema horizontal con tuberías de evaporación, que están conectadas a tuberías de evaporación verticales que se adentran profundamente en el macizo del suelo. Este diseño permite congelar suelos a una mayor profundidad que según el esquema GTS. El dispositivo VST es recomendable para nueva construcción, cuando es posible un foso;
sistema termostático, instalado en la base de un edificio o estructura existente utilizando perforación direccional.
El último método no requiere el desarrollo de pozos, zanjas, refuerzos y le permite preservar la estructura natural de los suelos. Está permitido instalar un sistema de estabilización térmica del suelo en paralelo con la construcción del edificio o estructura en sí, lo que acelera el proceso de construcción.
Indicadores técnicos y económicos en la aplicación de la estabilización térmica de suelos
La estabilización térmica de suelos utilizando varios sistemas TSG puede reducir el costo de construcción hasta en un 50% y reducir el tiempo de construcción de las instalaciones en casi 2 veces.
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Unidades de refrigeración de funcionamiento estacional (SOU) están diseñados para mantener el suelo en estado de congelación, lo que garantiza la estabilidad de los edificios, estructuras sobre pilotes y también preserva el suelo congelado alrededor de los soportes de líneas de transmisión de energía y tuberías, a lo largo de terraplenes ferroviarios y carreteras. La tecnología de los dispositivos de refrigeración de funcionamiento estacional se basa en un dispositivo de transferencia de calor (termosifón), que extrae el calor del suelo en invierno y lo transfiere al medio ambiente. Una característica importante de esta tecnología es que actúa de forma natural, es decir, no necesita fuentes de energía externas.
El principio de funcionamiento de todos los tipos de dispositivos de refrigeración que funcionan estacionalmente es el mismo. Cada uno de ellos consta de una tubería sellada, que contiene un refrigerante: un refrigerante: dióxido de carbono, amoníaco, etc. La tubería consta de dos secciones. Una sección se coloca en el suelo y se llama evaporador. La segunda sección del radiador de la tubería está ubicada en la superficie. Cuando la temperatura ambiente cae por debajo de la temperatura del suelo donde se encuentra el evaporador, los vapores de refrigerante comienzan a condensarse en la sección del radiador. Como resultado, la presión disminuye y el refrigerante en la parte evaporativa comienza a hervir y evaporarse. Este proceso va acompañado de transferencia de calor del evaporador al radiador.
Transferencia de calor usando un termosifón
Actualmente, existen varios tipos de diseños de dispositivos de enfriamiento que funcionan estacionalmente:
1) Estabilizador de calor. Son un tubo vertical de un termosifón, alrededor del cual se congela el suelo.
2). Es una pila vertical con termosifón integrado. Una pila térmica puede transportar algo de carga, como el soporte de un oleoducto.
3) Unidad de enfriamiento estacional profundo. Es un tubo de termosifón largo (hasta 100 metros) con un diámetro aumentado. Dichos dispositivos de enfriamiento se utilizan para la estabilización térmica de suelos a grandes profundidades, por ejemplo, para la estabilización térmica de presas y diques.
cuatro). Este tipo de dispositivo de enfriamiento se diferencia del estabilizador térmico en que la instalación de la tubería del evaporador se realiza con una pendiente de aproximadamente el 5%. En este caso, es posible instalar un tubo evaporador inclinado directamente debajo de los edificios construidos sobre losas de hormigón.
5) Enfriador horizontal. Una característica del dispositivo de enfriamiento de funcionamiento estacional horizontal es que se instala completamente horizontal al nivel de la base a granel preparada. En este caso, el edificio se construye directamente sobre un suelo que no se hunde, ubicado sobre la capa de aislamiento y las tuberías del evaporador. La ventaja de las unidades de refrigeración horizontales es que se pueden utilizar en dos configuraciones: sobre cimentaciones de losa y sobre pilotes.
6) Sistema de enfriamiento vertical. Este tipo de dispositivos de refrigeración de funcionamiento estacional es similar a un dispositivo de refrigeración horizontal, pero a diferencia de este, además de los tubos de evaporación horizontales, puede contener hasta varias decenas de tubos de evaporación verticales. La ventaja de este sistema es un mantenimiento más eficiente del suelo en estado congelado. La desventaja de los sistemas verticales de dispositivos de enfriamiento es la dificultad de su reparación y mantenimiento.
Una subdivisión separada de la ciudad de Vladimir LLC NPO Sever es una planta equipada con equipos para la producción de medios técnicos para la estabilización térmica de suelos e ingeniería y monitoreo geocriológico. Esta planta es un fabricante completo de estabilizadores térmicos. La producción mensual de estabilizadores térmicos es de 2000 - 2500 piezas. (dependiendo de los tamaños), más productos relacionados. El fabricante de estabilizadores térmicos dispone de un equipamiento técnico que permite realizar todo el ciclo productivo sin intervención de contratistas. Actualmente, se está trabajando para instalar una línea automática, que simplificará la producción de estabilizadores térmicos y aumentará la productividad de los productos. Los stocks de materias primas, materiales, componentes y productos semielaborados nos permiten responder rápidamente a las necesidades de los clientes y entregar los productos en el menor tiempo posible.
Los estabilizadores térmicos de suelo se fabrican de acuerdo con TU 3642-001-17556598-2014, certificados según el sistema de certificación voluntario (ROSS RU.AV28.N16655) y en el campo de la seguridad industrial (S-EPB.001.TU.00121) .
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