RU2159308C1 - Method for raising stability of pile foundation in cryolitic zone - Google Patents
Method for raising stability of pile foundation in cryolitic zone Download PDFInfo
- Publication number
- RU2159308C1 RU2159308C1 RU99105061A RU99105061A RU2159308C1 RU 2159308 C1 RU2159308 C1 RU 2159308C1 RU 99105061 A RU99105061 A RU 99105061A RU 99105061 A RU99105061 A RU 99105061A RU 2159308 C1 RU2159308 C1 RU 2159308C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- insulating screen
- foundation
- soil
- temperature field
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов сооружений в условиях криолитозоны. The invention relates to the field of design, construction and operation of the foundations of structures in the permafrost zone.
Определяющее влияние на несущую способность свайного фундамента в криолитозоне и его устойчивость по отношению к касательным силам морозного пучения, возникающим в сезонно-талом или сезонно-мерзлом слое, оказывает величина сил смерзания сваи с грунтом и величина касательных сил морозного пучения, которые, в свою очередь, в значительной степени определяются температурами мерзлых грунтов в интервале заложения свай и мощностью сезонно- талого или сезонно-мерзлого слоя. The decisive influence on the bearing capacity of the pile foundation in the permafrost zone and its stability with respect to the tangential forces of frost heaving arising in the seasonally thawed or seasonally frozen layer is exerted by the magnitude of the forces of freezing of the pile with soil and the value of the tangential forces of frost heaving, which, in turn, , are largely determined by the temperatures of frozen soils in the interval of piling and the thickness of the seasonal thawed or seasonally frozen layer.
При отсутствии специальных технических средств, управляющих тепловым режимом грунтов оснований, формирование сезонно-талого или сезонно-мерзлого слоя большой мощности, особенно в условиях техногенных насыпей, растепление мерзлых грунтов ниже глубины сезонно-талого слоя под тепловым воздействием свай большого диаметра, формирование "карманов" оттаивания в зоне контакта сваи с мерзлым грунтом, приводит к тому, что несущая способность и устойчивость к воздействию касательных сил морозного пучения свайного фундамента снижаются, а величина самих сил возрастает. In the absence of special technical means that control the thermal regime of base soils, the formation of a seasonally thawed or seasonally frozen layer of high thickness, especially in the case of man-made embankments, thawing of frozen soils below the depth of the seasonally thawed layer under the heat of large piles, the formation of "pockets" thawing in the zone of contact of piles with frozen soil, leads to the fact that the bearing capacity and resistance to the effects of tangential forces of frosty heaving of the pile foundation are reduced, and on the forces themselves is increasing.
Известен способ, повышающий устойчивость свайного фундамента, заключающийся в увеличении глубины заложения фундамента при новом строительстве. Это позволяет обеспечить превышение сил, удерживающих сваю в грунте основания над касательными силами морозного пучения, возникающими в сезонно-талом или сезонно-мерзлом слое [Строительные нормы и правила. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. СНиП 2.02.02-88, М., Госстрой СССР, 1990, с. 1] . There is a method that increases the stability of the pile foundation, which consists in increasing the depth of the foundation during new construction. This allows you to ensure that the forces that keep the pile in the foundation soil exceed the tangential forces of frost heaving that arise in the seasonal-thawed or seasonally frozen layer [Building norms and rules. Foundations and foundations on permafrost soils. SNiP 2.02.02-88, M., Gosstroy of the USSR, 1990, p. 1] .
Недостатком этого способа является то, что в условиях реконструкции зданий и сооружений, решение проблемы, предусматривающее увеличение глубины заложения свай фундамента, в большинстве случаев нецелесообразно по экономическим соображениям или вообще невозможно. The disadvantage of this method is that in the conditions of reconstruction of buildings and structures, the solution to the problem, which involves increasing the depth of the foundation piles, is in most cases impractical for economic reasons or even impossible.
Известен способ снижения воздействия касательных сил морозного пучения на свайный фундамент, в котором применяются специальные конструкции типа "труба в трубе" с межтрубным заполнителем в виде смазки и различные противопучинные обмазки поверхности верхнего конца сваи [Проектирование объектов промышленного и гражданского назначения Западно-Сибирского нефтегазового комплекса. РСН 68-87. М., Государственный комитет по строительству РСФСР, 1987, с. 21-35]. There is a method of reducing the influence of tangential forces of frosty heaving on a pile foundation, in which special constructions of the pipe-in-pipe type with an annular filler in the form of a lubricant and various anti-debris coatings of the surface of the upper end of the pile are used [Design of industrial and civil facilities of the West Siberian oil and gas complex. RSN 68-87. M., State Committee for the Construction of the RSFSR, 1987, p. 21-35].
Недостатком этого способа является то, что снижающие воздействие касательных сил морозного пучения и противопучинные обмазки свай приводят к снижению несущей способности сваи, обусловленному исключением из работы боковой поверхности сваи в верхней ее части. Возникают дополнительные технологические процессы при выполнении свайных работ. Конструкции типа "труба в трубе" не всегда эффективно работают вследствие изменения свойств межтрубного заполнителя в процессе эксплуатации
Известен способ, обеспечивающий понижение среднегодовых температур грунтов посредством применения различных типов жидкостных и парожидкостных сезонно действующих охлаждающих устройств. [Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезонно- действующих охлаждающих устройств, Под ред. д-ра техн. наук С.С: Вялова. - Якутск, ИМ СО АН СССР, 1983. - с. 95].The disadvantage of this method is that reducing the effects of the tangential forces of frost heaving and anti-porous coating of the piles lead to a decrease in the bearing capacity of the pile, due to the exclusion from work of the side surface of the pile in its upper part. Additional technological processes arise when performing pile work. Pipe-in-pipe designs do not always work efficiently due to changes in annular filler properties during operation
There is a method that provides a decrease in average annual soil temperatures through the use of various types of liquid and vapor-liquid seasonal cooling devices. [Regulation of the temperature of base soils using seasonally acting cooling devices, Ed. Dr. tech. Sciences S.S .: Vyalova. - Yakutsk, IM SB AS USSR, 1983. - p. 95].
Недостатком этого способа является высокая стоимость сезонно охлаждающих устройств и их размещения, что не позволяет применять последние повсеместно. The disadvantage of this method is the high cost of seasonally cooling devices and their placement, which does not allow the latter to be used everywhere.
Известен способ расчета необходимых параметров теплообмена в грунтах основания, основанный на приближенных формулах Стефана, Лейбензона, Лукьянова, Кудрявцева для определения глубины сезонного промерзания - оттаивания пород [Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. Под ред. В.А. Кудрявцева. М., Из-во Московского университета, 1974, с. 96-118]. Эти формулы основаны на решении нестационарного одномерного уравнения теплопроводности с подвижной границей раздела фаз и обеспечивают расчет искомой величины при заданных параметрах теплообмена на поверхности Земли, например, температуры под однородным поверхностным теплоизоляционным экраном фиксированной мощности и теплофизических свойств инженерно-геологического разреза. A known method of calculating the necessary parameters of heat transfer in the soil of the base, based on approximate formulas of Stefan, Leibenzon, Lukyanov, Kudryavtsev to determine the depth of seasonal freezing - thawing rocks [Basics of permafrost forecasting in engineering-geological studies. Ed. V.A. Kudryavtseva. M., Iz-in Moscow University, 1974, p. 96-118]. These formulas are based on the solution of the unsteady one-dimensional heat equation with a moving phase boundary and provide the calculation of the desired value for the given heat transfer parameters on the Earth’s surface, for example, the temperature under a uniform surface heat-insulating screen of fixed power and the thermal properties of the engineering-geological section.
Недостатком указанного способа является использование для расчета одномерного уравнения, не позволяющего реализовать расчет для теплоизоляционного слоя ограниченных размеров и обладающего анизотропией свойств. Кроме этого, способ не позволяет рассчитывать температуру на глубине нулевых среднегодовых колебаний температуры. The disadvantage of this method is the use for calculating a one-dimensional equation that does not allow the calculation to be implemented for a heat-insulating layer of limited size and having anisotropic properties. In addition, the method does not allow to calculate the temperature at a depth of zero annual average temperature fluctuations.
Известны способы (приближенные формулы, палетки) для определения многолетних теплооборотов, глубин многолетнего промерзания-оттаивания пород, прогноза изменения температурного режима грунтов оснований сооружений [Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. Под ред. В. А. Кудрявцева. М., Из-во Московского университета, 1974, с. 131-177]. С помощью этих способов можно рассчитать многолетнее промерзание-протаивание плоскопараллельного инженерно-геологического разреза при наличии информации об условиях теплообмена с окружающей средой, например, температуры на поверхности Земли под теплоизоляционным экраном фиксированной мощности. Основой перечисленных способов так же является решение одномерного нестационарного уравнения теплопроводности с подвижной границей раздела фаз для анизотропной плоскопараллельной среды. Known methods (approximate formulas, palettes) for determining long-term heat rotations, depths of long-term freezing-thawing of rocks, predicting changes in the temperature regime of soils of the foundations of structures [Basics of permafrost forecast in engineering-geological studies. Ed. V.A. Kudryavtseva. M., Iz-in Moscow University, 1974, p. 131-177]. Using these methods, it is possible to calculate the long-term freezing-thawing of a plane-parallel engineering-geological section in the presence of information about the conditions of heat exchange with the environment, for example, the temperature on the Earth's surface under a heat-insulating screen of fixed power. The basis of these methods is also the solution of the one-dimensional unsteady heat equation with a moving phase boundary for an anisotropic plane-parallel medium.
Недостатком указанных способов является использование при расчетах одномерного уравнения теплопроводности, не позволяющего реализовать расчет в случае анизотропии свойств, геометрических размеров и конфигурации теплоизоляционных покрытий. Расчетные формулы не обеспечивают результат в случае размещения теплоизоляционного экрана внутри грунтового основания и не позволяют рассчитать величину слоя сезонного промерзания-протаивания. The disadvantage of these methods is the use in the calculations of the one-dimensional heat equation, which does not allow the calculation to be implemented in the case of anisotropy of properties, geometric dimensions and configuration of heat-insulating coatings. The calculation formulas do not provide the result in the case of placing a heat-insulating screen inside the soil base and do not allow to calculate the size of the seasonal freezing-thawing layer.
Известны способы расчета необходимых параметров строительных конструкций, а именно, высоты однородного изотропного слоя подсыпки или теплоизоляции на поверхности Земли, обеспечивающих неизменность температуры эксплуатации грунтов оснований под сооружением [Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю.Я. Велли, В.И. Докучаева, Н.Ф. Федорова. Л. , Стройиздат, Ленингр. отд-ние 1977, с.214-252]. Способ так же основан на квазистационарном одномерном описании процесса теплообмена в среде и позволяет получить исходные параметры при наличии информации о свойствах инженерно-геологического разреза, средней температуры поверхности Земли за период полугодичного оттаивания и температуры многолетнемерзлых пород на глубине нулевых годовых колебаний температуры. Known methods for calculating the necessary parameters of building structures, namely, the height of a homogeneous isotropic layer of bedding or thermal insulation on the Earth's surface, ensuring the invariability of the temperature of operation of the soil of the foundations under the structure [Reference for construction on permafrost soils. Ed. Yu.Ya. Valley, V.I. Dokuchaev, N.F. Fedorova. L., Stroyizdat, Leningrad. Department 1977, S. 214-252]. The method is also based on a quasi-stationary one-dimensional description of the heat transfer process in the medium and allows one to obtain initial parameters if there is information about the properties of the engineering-geological section, the average temperature of the Earth’s surface for the period of semi-annual thawing and the temperature of permafrost at a depth of zero annual temperature fluctuations.
Недостатком указанного способа является использование при расчете квазистационарных моделей описания процесса теплообмена, не позволяющих рассчитывать "работу" теплоизоляционного экрана помесячно в периоды максимальных наблюдаемых деформаций фундамента. Кроме этого, отсутствует возможность расчета величины слоя сезонного промерзания-протаивания. The disadvantage of this method is the use in the calculation of quasi-stationary models of the description of the heat transfer process, which does not allow to calculate the "work" of the heat insulation screen monthly during periods of maximum observed deformation of the foundation. In addition, there is no possibility of calculating the size of the seasonal freezing-thawing layer.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ расчета толщины однородного изотропного плоского слоя теплоизоляции, укладываемой на поверхность грунта, необходимой для ограничения до фиксированного уровня глубины сезонного протаивания [Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под ред. Ю. Я. Велли, В.И. Докучаева, Н.Ф. Федорова. Л., Стройиздат, Ленингр. отд-ние 1977, с. 170]. Формула реализует расчет для однородной инженерно-геологической среды, а именно, учитывает параметры одного грунта, но в талом и мерзлом состоянии в предположении квазистационарности одномерного температурного поля путем использования для расчетов средних температур за период оттаивания. Известны аналогичные формулы для расчета глубины сезонного промерзания при наличии на поверхности слоя теплоизоляции. Closest to the proposed technical solution is a method of calculating the thickness of a homogeneous isotropic flat layer of thermal insulation, laid on the ground surface, necessary to limit to a fixed level the depth of seasonal thawing [Reference for construction on permafrost soils. Ed. Yu.Y. Velli, V.I. Dokuchaev, N.F. Fedorova. L., Stroyizdat, Leningrad. Department 1977, p. 170]. The formula implements a calculation for a homogeneous engineering-geological environment, namely, it takes into account the parameters of one soil, but in a thawed and frozen state, assuming that the one-dimensional temperature field is quasistationary by using average temperatures for the thawing period to calculate. Similar formulas are known for calculating the depth of seasonal freezing in the presence of a thermal insulation layer on the surface.
Недостатком указанного способа является использование в расчете одномерной квазистационарной модели теплового взаимодействия теплоизоляционного экрана с грунтовым основанием и окружающей средой. Ограниченность такой модели не позволяет рассчитывать искомые параметры при размещении теплоизоляционного экрана внутри грунтового основания и при наличии анизотропии его свойств, геометрических размеров и конфигурации. Кроме этого, способ не позволяет рассчитать температуры на глубине нулевых годовых колебаний последней. The disadvantage of this method is the use in the calculation of a one-dimensional quasistationary model of thermal interaction of the heat-insulating screen with a soil base and the environment. The limitations of such a model do not allow one to calculate the required parameters when placing a heat-insulating screen inside a soil base and in the presence of anisotropy of its properties, geometric dimensions and configuration. In addition, the method does not allow to calculate the temperature at a depth of zero annual fluctuations of the latter.
Цель изобретения - повышение устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне. The purpose of the invention is to increase the stability of pile foundations in the permafrost zone.
Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение мощности слоя сезонного оттаивания - промерзания грунтов, а следовательно, и касательных сил морозного пучения в этом слое без смещения общего уровня теплового баланса грунта в положительную или отрицательную область, а именно, температуры на глубине нулевых годовых колебаний последней, и вызванного этим отклонения от выбранного принципа строительства за период эксплуатации сооружения. The objective of the proposed technical solution is to reduce the thickness of the layer of seasonal thawing - freezing of soils, and hence the tangential forces of frost heaving in this layer without shifting the overall level of thermal balance of the soil to a positive or negative region, namely, temperature at a depth of zero annual fluctuations of the latter, and the resulting deviations from the selected construction principle for the period of operation of the structure.
Технический результат достигается путем размещения на поверхности и внутри грунтового основания теплоизоляционного экрана, обладающего анизотропией свойств, геометрических размеров и конфигурации, выбора необходимых свойств, размеров и конфигурации таким образом, чтобы наряду с уменьшением мощности слоя сезонного промерзания-протаивания обеспечить такой проектный температурный режим эксплуатации всего грунтового основания, который бы поддерживал устойчивость сооружения в течении всего срока его эксплуатации. The technical result is achieved by placing on the surface and inside the soil base a heat-insulating screen having anisotropy of properties, geometric dimensions and configuration, selecting the necessary properties, sizes and configuration in such a way that, along with reducing the thickness of the layer of seasonal freezing-thawing, ensure that such a design temperature operating mode of the whole soil foundation, which would maintain the stability of the structure throughout the entire period of its operation.
Поставленная цель достигается тем, что в способе повышения устойчивости свайных фундаментов в криолитозоне, включающем размещение теплоизоляционного экрана на поверхности грунтового основания и расчет необходимых его параметров, теплоизоляционный экран размещают на поверхности и внутри грунтового основания, его размеры, геометрическую конфигурацию, а также теплофизические свойства материала, имеющие пространственную анизотропию, определяют из условий совпадения проектируемого температурного поля, обеспечивающего устойчивость сооружения в течение всего периода эксплуатации, и расчетного температурного поля, полученного путем решения методом конечных разностей нестационарного двумерного неоднородного уравнения теплопроводности в прямоугольных координатах для анизотропной среды с наличием в ней подвижной границы раздела фаз и представляющей собой инженерно-геологический разрез грунтов основания, вмещающего проектируемый теплоизоляционный экран, и прилегающей к нему территории строительства. This goal is achieved by the fact that in the method of increasing the stability of pile foundations in the permafrost zone, including placing a heat-insulating screen on the surface of the soil base and calculating its necessary parameters, the heat-insulating screen is placed on the surface and inside the soil foundation, its dimensions, geometric configuration, and also the thermal properties of the material having spatial anisotropy is determined from the conditions of coincidence of the designed temperature field, providing stability with weapons during the entire period of operation, and the calculated temperature field obtained by solving by the finite difference method a non-stationary two-dimensional inhomogeneous heat equation in rectangular coordinates for an anisotropic medium with a moving phase boundary in it and representing an engineering-geological section of the base soil containing the designed thermal insulation screen, and the adjacent construction area.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами: фиг. 1 - 7. The invention is illustrated graphic materials: Fig. 1 - 7.
На фиг. 1 схематично изображен фрагмент геотехнической системы "фундамент из свай 1 - анизотропные грунты 2 основания сооружения", представляющий собой фундамент наружной газовой обвязки 3 турбоагрегатов компрессорной станции, с расположенными вокруг свай фундамента поверхностными теплоизоляционными экранами 4; на фиг. 2 изображена расчетная область, представляющая собой фрагмент сечения геотехнической системы (фиг. 1) плоскостью, перпендикулярной поверхности Земли; на фиг. 3 изображены графики зависимости расчетных температур от глубины; на фиг. 4, 5, 6, 7 изображены фрагменты расчетного температурного поля. In FIG. 1 schematically shows a fragment of the geotechnical system "foundation of piles 1 -
Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.
Для расчетной геотехнической системы (фиг. 1) формулируется система нестационарных уравнений, описывающих двумерную задачу теплопроводности в постановке Стефана [Хрусталев Л.Н., Пустовойт Г.П., Яковлев С.В. Программа расчета теплового и механического взаимодействия фундаментов сооружений с вечномерзлыми грунтами. Информ. бюллет., ВИНИТИ, N 5, М., 1983, с. 40-41] для среды, обладающей прямоугольной симметрией (пространственные координаты Z и X), анизотропностью по вертикальной координате, отражающей теплофизические и геометрические свойства инженерно-геологического разреза 2 проектируемого объекта, теплофизические свойства частей поверхностного или подповерхностного теплоизоляционного экрана 4 и его размером по вертикали и анизотропностью по горизонтальной координате, отражающей теплофизические характеристики и геометрические размеры, например, ширину продухов и частей теплоизоляционного экрана 4. Для записанной системы уравнений формируется расчетная область, представляющая собой фрагмент сечения проектируемой геотехнической системы плоскостью, перпендикулярной поверхности земли (фиг. 2). Размеры расчетной области по горизонтальной и вертикальной координате выбираются из условия неизменности и равности нулю теплового потока на границах Z→∞, X→0 и X→∞ (граничные условия II рода). Для описываемого варианта реализации размеры расчетной области приняты равными 50х100 м. На границе при Z ---> 0 задаются граничные условия III рода в виде ступенчато-непрерывных функций с амплитудами, равными среднемесячным многолетним температурам окружающего воздуха, среднемесячным коэффициентам теплоотдачи, отражающим условия теплообмена на поверхности земли (среднемесячная скорость ветра, мощность и плотность снежного покрова, альбедо поверхности и т.д.) [Проектирование объектов промышленного и гражданского назначения Западно-Сибирского нефтегазового комплекса. РСН 68-87. М., Государственный комитет по строительству РСФСР, 1987, с. 185-213]. Начальные температуры в расчетной области принимаются равными температурам, зафиксированным в грунтах основания сооружения на момент проведения изысканий или режимных исследований в процессе работ по инженерно-геокриологическому мониторингу. За начальный момент расчета принимается момент сооружения поверхностного теплоизоляционного экрана. Исходная система нестационарных уравнений в описанной выше расчетной области решается методом конечных разностей. Результатом решения является расчетное температурное поле на любой момент последующей эксплуатации проектируемой геотехнической системы. Искомые параметры - мощность и ширина различных частей теплоизоляционного экрана - подбирается путем многократного решения описанной задачи, исходя из необходимых, проектируемых, величин мощности слоя сезонного промерзания-протаивания вокруг сваи и температуры грунтового основания на глубине нулевых теплооборотов. Именно такие параметры теплоизоляционного экрана 4 (фиг. 1) обеспечивают устойчивость свайного фундамента в криолитозоне, поскольку уменьшение мощности слоя сезонного промерзания-протаивания приведет к снижению касательных сил морозного пучения, а возможность "управления" температурным режимом грунтов на глубине нулевых годовых колебаний температуры обеспечит необходимый уровень сцепления поверхности сваи с грунтом в слое между подошвой сезонного промерзания - протаивания и глубиной заложения сваи. For the calculated geotechnical system (Fig. 1), a system of non-stationary equations is formulated that describe the two-dimensional heat conduction problem in the formulation of Stefan [Khrustalev L.N., Pustovoit G.P., Yakovlev S.V. The program for calculating the thermal and mechanical interaction of the foundations of structures with permafrost soils. Inform. Bulletin., VINITI,
Пример конкретной реализации. An example of a specific implementation.
На фиг. 3 представлены численные результаты реализации описанного выше способа для частного случая "кусочного" теплоизоляционного экрана из стиропоробетона с геометрическими размерами, представленными на фиг. 4. Из приведенных на фиг. 3 зависимостей расчетной температуры на 1 октября 2005 г. от глубины следует, что при эксплуатации фундамента без теплоизоляционного экрана мощность слоя сезонного промерзания-протаивания составит 2,5 м, при этом температуры грунтов основания на глубинах нулевых годовых колебаний температуры равна 1,0 - 1,1oC. При этом касательные силы морозного пучения, возникавшие в слое сезонного промерзания- протаивания, превышают силы, удерживающие сваю в грунте, которые, в свою очередь, зависят от температуры мерзлых пород в интервале от подошвы слоя сезонного промерзания-протаивания до глубины заложения свай фундамента. Применение сплошного теплоизоляционного экрана на данной площадке хотя обеспечит снижение мощности слоя сезонного промерзания-протаивания до 0,5 м, однако температуры на глубине нулевых годовых колебаний составят 0,1-0,2oC. Это приведет к снижению сил, удерживающих сваю в грунте, и потере устойчивости фундамента по отношению к касательным силам морозного пучения. Применение "кусочного" теплоизоляционного экрана позволит добиться того, что касательные силы морозного пучения в сезонном слое промерзания-протаивания мощностью 1,5 м не превысят сил, удерживающих сваю в многолетнемерзлых грунтах с температурами порядка 1,0oC.In FIG. 3 presents the numerical results of the implementation of the method described above for a particular case of a “piecewise” heat-insulating styrofoam concrete screen with the geometric dimensions shown in FIG. 4. From those shown in FIG. The 3 dependences of the calculated temperature on October 1, 2005 on the depth indicate that when operating the foundation without a heat-insulating screen, the thickness of the seasonal freezing-thawing layer will be 2.5 m, while the temperature of the soil at the depths of zero annual temperature fluctuations is 1.0 - 1 1 o C. in this case the tangent force of frost heaving, arising in the layer seasonal promerzaniya- thawing exceed the forces holding the pile in the ground, which in turn depend on the temperature of frozen ground ranging from the base layer sezo Nogo freezing-thawing before the depth of the foundation piles. The use of a continuous heat-insulating screen on this site, although it will reduce the thickness of the seasonal freezing-thawing layer to 0.5 m, however, temperatures at a depth of zero annual fluctuations will amount to 0.1-0.2 o C. This will lead to a decrease in the forces holding the pile in the ground , and loss of stability of the foundation with respect to the tangential forces of frost heaving. The use of a “piecewise” heat-insulating screen will ensure that the tangential forces of frost heaving in the seasonal layer of freezing-thawing with a thickness of 1.5 m do not exceed the forces holding the pile in permafrost soils with temperatures of the order of 1.0 o C.
Еще одним примером реализации заявляемого способа может послужить пример теплоизоляционного экрана ограниченной площади на площадке наружной газовой обвязки турбоагрегатов дожимной компрессорной станции N 9 Медвежьего месторождения. Another example of the implementation of the proposed method can serve as an example of a heat-insulating screen of a limited area on the site of the external gas piping of turbine units of the booster compressor station N 9 of the Medvezhye field.
Результаты инженерно-геологического мониторинга площадки свидетельствуют о том, что вследствие повышенного снегонакопления в пределах трубопроводной обвязки газоперекачивающих агрегатов в грунтах основания, несущих фундамент обвязки, формируется ореол оттаивания. Если на момент проведения первичных инженерно- геологических изысканий вся площадка была сложена вечномерзлыми грунтами со среднегодовыми температурами (-1) - (-2)oC, то к 1998 году в пределах площадки сформировался ореол оттаивания мощностью до 5 м. Ниже подошвы формирующегося талика температура мерзлых грунтов составляет (-0,2) - (-0,4)oC, то есть находится на границе оттаивания. Мощность слоя сезонного промерзания-протаивания составляет 2,2 м. Режимные термометрические наблюдения по скважинам за 1993-1998 годы показывают, что температура грунтов оснований продолжает повышаться, а мощность ореола оттаивания растет. Режимное нивелирование фундаментов и опорных конструкций сооружения свидетельствует, что с 1996-97 г.г. ряд свай, несущих трубопроводную обвязку турбоагрегата - 1, начал испытывать сезонные деформации на фоне многолетней осадки из-за нарушения устойчивости фундамента по отношению к касательным силам морозного пучения в сезонном слое промерзания-протаивания и повышения температуры подстилающих многолетнемерзлых пород. Это происходит несмотря на то, что глубина погружения свай составляет 10-12 м, т.е. торцы свай заглублены ниже подошвы талика. К настоящему времени осадки фундаментов незначительны и составляют 10-40 мм.The results of engineering and geological monitoring of the site indicate that due to increased snow accumulation within the piping of the gas pumping units in the base soils bearing the base of the strapping, a thawing halo is formed. If at the time of the initial engineering and geological surveys the entire site was piled with permafrost soils with average annual temperatures of (-1) - (-2) o C, then by 1998 a thawing halo with a thickness of up to 5 m was formed within the site. Below the base of the forming talik, the temperature frozen soil is (-0.2) - (-0.4) o C, that is, located on the thawing border. The thickness of the seasonal freezing-thawing layer is 2.2 m. Regular thermometric observations of the wells for 1993-1998 show that the temperature of the soil of the bases continues to increase, and the thickness of the thawing halo increases. The regime leveling of the foundations and supporting structures of the structure indicates that since 1996-97 a number of piles carrying the piping of the turbine unit - 1 began to experience seasonal deformations against the background of long-term precipitation due to the violation of the stability of the foundation with respect to the tangential forces of frost heaving in the seasonal layer of freezing and thawing and an increase in the temperature of the underlying permafrost. This happens despite the fact that the piling depth is 10-12 m, i.e. the ends of the piles are buried below the sole of the talik. To date, precipitation of foundations is insignificant and amount to 10-40 mm.
Результаты реализации предлагаемого способа по схеме, описанной выше, для рассматриваемого объекта, свидетельствуют, что при условии сохранения сегодняшнего уровня теплообмена на поверхности площадки трубопроводной обвязки газоперекачивающего агрегата талик будет продолжать расти. К 2008 году его максимальная мощность будет составлять 7,5 м (фиг 5), к 2018 - 8,5 м (фиг. 6). Продолжающееся оттаивание грунтов основания приведет к резкому снижению несущей способности фундамента. Таким образом, есть все основания утверждать, что наблюдаемые деформации будут увеличиваться во времени. С учетом того, что при любых вариантах дальнейшего функционирования месторождения, рассматриваемый объект будет функционировать не менее 15-20 лет, во избежание дальнейшего развития деформаций и связанных с ними сложностей в эксплуатации объекта, было предложено разработать и реализовать специальные меры по повышению устойчивости фундамента по отношению к касательным силам морозного пучения путем снижения мощности слоя сезонного промерзания-протаивания с одновременным понижением температуры на глубине нулевых годовых ее колебаний. The results of the implementation of the proposed method according to the scheme described above for the object under consideration indicate that, provided that the current level of heat transfer is maintained on the surface of the piping piping of the gas pumping unit, the talik will continue to grow. By 2008, its maximum power will be 7.5 m (Fig. 5), by 2018 - 8.5 m (Fig. 6). Continued thawing of the base soil will lead to a sharp decrease in the bearing capacity of the foundation. Thus, there is every reason to assert that the observed strains will increase in time. Given that with any options for the further functioning of the field, the object in question will function for at least 15-20 years, in order to avoid further development of deformations and related difficulties in the operation of the object, it was proposed to develop and implement special measures to increase the stability of the foundation in relation to the tangential forces of frost heaving by reducing the thickness of the layer of seasonal freezing-thawing while lowering the temperature at a depth of zero annual fluctuations.
Расчеты, выполненные при реализации предлагаемого способа, свидетельствуют, что предотвратить дальнейшее многолетнее оттаивание грунтов в основании трубопроводной обвязки и впоследствии восстановить их первоначальное мерзлое состояние возможно посредством строительства на поверхности площадки в пределах свайного поля теплоизоляционного экрана из стиропоробетона мощностью 0,2 м. Уже через 5 лет после строительства теплоизоляционного экрана сформировавшийся ореол оттаивания практически полностью промерзнет, а через 10 лет восстановится первоначальное твердомерзлое состояние грунтов в основании всей обвязки (фиг.7). При этом мощность слоя сезонного промерзания - протаивания снизится до 0,6 м, что приведет к значительному снижению касательных сил морозного пучения. Учитывая тот факт, что применение такого теплоизоляционного экрана приводит к многолетнему охлаждению грунтов основания, вмещающих фундамент, можно с уверенностью утверждать, что устойчивость последнего повысится. The calculations performed during the implementation of the proposed method indicate that it is possible to prevent further long-term thawing of soils at the base of the piping and subsequently restore their initial frozen state by building on the surface of the site within the pile field a 0.2 m thick styrofoam concrete shield. Already after 5 years after the construction of the heat-insulating screen, the formed thawing halo will almost completely freeze, and after 10 years continues the initial frozen state of the soil at the base of the entire strapping (Fig.7). In this case, the thickness of the seasonal freezing - thawing layer will decrease to 0.6 m, which will lead to a significant decrease in the tangential forces of frost heaving. Considering the fact that the use of such a heat-insulating screen leads to long-term cooling of the base soils containing the foundation, it can be confidently stated that the stability of the latter will increase.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99105061A RU2159308C1 (en) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | Method for raising stability of pile foundation in cryolitic zone |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99105061A RU2159308C1 (en) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | Method for raising stability of pile foundation in cryolitic zone |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2159308C1 true RU2159308C1 (en) | 2000-11-20 |
Family
ID=20217085
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99105061A RU2159308C1 (en) | 1999-03-10 | 1999-03-10 | Method for raising stability of pile foundation in cryolitic zone |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2159308C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583025C1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-04-27 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation structure ensuring preservation of soil base in frozen state with simultaneous heating of structure |
| RU2761790C1 (en) * | 2021-04-12 | 2021-12-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | Method for combined year-round temperature stabilization of soil |
-
1999
- 1999-03-10 RU RU99105061A patent/RU2159308C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ВЕЛЛИ Ю.Я., ДОКУЧАЕВ В.И., ФЕДОРОВ Н.Ф. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. - Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1977, с.170-214-252. СНиП 2.02.02.-88, Строительные нормы и правила. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. - М.: Госстрой СССР, 1990, с.1. РСН 68-87. Проектирование объектов промышленного и гражданского назначения Западно-Сибирского нефтегазового комплекса. - М.: Государственный комитет по строительству РСФСР, 1987, с.21-35. ВЯЛОВ С.С. и др. Регулирование температуры грунтов основания с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств. - Якутск: ИМ СО АН СССР, 1983, с.95. КУДРЯВЦЕВ В.А. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. - М.: Из-во Московского университета, 1974, с.96-118, 131-177. ХРУСТАЛЕВ Л.Н. и др., Программа расчета теплового и механического взаимодействия фундаментов сооружений с вечномерзлыми грунтами. Информ.бюллет., ВИНИТИ. - М., N 5, 1983, с.40-41. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583025C1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-04-27 | Лев Николаевич Хрусталев | Surface foundation structure ensuring preservation of soil base in frozen state with simultaneous heating of structure |
| RU2761790C1 (en) * | 2021-04-12 | 2021-12-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» | Method for combined year-round temperature stabilization of soil |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Field observations of cooling performance of thermosyphons on permafrost under the China-Russia Crude Oil Pipeline | |
| Shiklomanov et al. | Climate change and stability of urban infrastructure in Russian permafrost regions: prognostic assessment based on GCM climate projections | |
| Kokelj et al. | Origin and polycyclic behaviour of tundra thaw slumps, Mackenzie Delta region, Northwest Territories, Canada | |
| Grebenets et al. | Geotechnical safety issues in the cities of Polar Regions | |
| Stuedlein et al. | Design and performance of a 46-m-high MSE wall | |
| Guo et al. | Displacements of tower foundations in permafrost regions along the Qinghai–Tibet Power Transmission Line | |
| Harris et al. | Physical modelling of gelifluction and frost creep: some results of a large‐scale laboratory experiment | |
| Vasiliev et al. | Analysis of the causes of engineering structures deformations at gas industry facilities in the permafrost zone | |
| Massey et al. | Basal sliding and plastic deformation of a slow, reactivated landslide in New Zealand | |
| Buteau et al. | Numerical simulation of the impacts of climate warming on a permafrost mound | |
| Matsuoka | Modelling frost creep rates in an alpine environment | |
| Xu et al. | Frost heave of irrigation canals in seasonal frozen regions | |
| Trofimenko et al. | Functional loss risks of highways in permafrost areas due to climate change | |
| Permyakov et al. | Numerical modeling of railway embankment deformations in permafrost regions, Central Yakutia | |
| Wang et al. | Applicability analysis of thermosyphon for thermally stabilizing pipeline foundation permafrost and its layout optimization | |
| RU2159308C1 (en) | Method for raising stability of pile foundation in cryolitic zone | |
| Cao et al. | Rapid permafrost thaw under buried oil pipeline and effective solution using a novel mitigative technique based on field and laboratory results | |
| Hayley | Application of heat pipes to design of shallow foundations on permafrost | |
| Khokholov et al. | Prediction of temperature-controlled regimes of foundation-bed soils in the cryolithic zone | |
| Bagde | Characterization of failure modes and planned stabilization measures for the Ajanta caves in India | |
| Marrah | Numerical modeling of thermal and geotechnical response of soils in Canadian no-permafrost regions to climate warming | |
| Kudryavtsev et al. | Geotechnical forecast of the construction of structures in conditions of degrading permafrost soils | |
| Hull et al. | Design of paste tailings disposal in the Russian Sub-Arctic | |
| Kawamura et al. | Stability Evaluation of Volcanic Slope Subjected to Rainfall and Freeze‐Thaw Action Based on Field Monitoring | |
| Soytu et al. | Design of Pile Foundations in Conditions of Freezing Soils |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 32-2000 FOR TAG: (73) |
|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20110603 |