RU2384671C1 - Pile support for structures erected on permanently frozen soil - Google Patents

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: pile support intended for use in erection of structures erected in regions with permanently frozen soil comprises metal or reinforced concrete tubular shaft 1 with closed ends, which is partially deepened into soil 2. Upper end 3 is a supporting platform. Support also comprises cooling device of seasonal effect. In deepened part of shaft 1 there is a reservoir 5 arranged with substance 7 that accumulates cold. Support feature is in making reservoir 5 from elastic material and its placement with adjacency to internal surface of shaft 1 wall, and also use of water as substance that accumulates cold. Cooling device is arranged in the form of one or several vertically oriented gravitational heat pipes 4 arranged outside tubular shaft 1 with zones of evaporation 11 and condensation 9, and transport zone 10 arranged in between. Besides evaporation zone 11 in each thermal pipe is located below, and zone of condensation is arranged higher than soil surface.

EFFECT: invention provides for improved reliability of structures, using cooled pile supports, in combination with improved efficiency of cooling and freezing.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства, а именно к основаниям и опорам различных сооружений, возводимых в районах Крайнего Севера с вечномерзлым грунтом, более конкретно к охлаждаемым свайным опорам.The invention relates to the field of construction, namely, to the foundations and supports of various structures erected in areas of the Far North with permafrost soil, and more particularly to cooled pile supports.

Особенности возведения опор оснований сооружений определяются специфическими климатическими условиями в высокоширотных районах Севера. В зимний период температура воздуха там продолжительное время довольно низкая и достигает часто минус 40°.Features of the construction of the supports of the foundations of structures are determined by the specific climatic conditions in the high latitude regions of the North. In winter, the air temperature there is quite low for a long time and often reaches minus 40 °.

Однако снежный покров и низкая теплопроводность грунта не позволяют ему глубоко и сильно промерзнуть. В летнее время года мерзлый грунт оттаивает, и при этом создается угроза деформации оснований и опор сооружений. Поэтому возникает необходимость продления мерзлого состояния грунта в летний период. Это достигается путем дополнительного захолаживания грунта с помощью охлаждающих установок, например, сезонного действия. Эти установки (парожидкостные термосифоны и гравитационные тепловые трубы) в зимнее время дополнительно охлаждают грунт, а летом не работают. С помощью таких устройств удается значительно повысить несущую способность оснований и опор.However, snow cover and low thermal conductivity of the soil do not allow it to freeze deeply and severely. In the summer season, frozen ground thaws, and this creates the threat of deformation of the bases and supports of structures. Therefore, there is a need to extend the frozen state of the soil in the summer. This is achieved by additional cooling the soil with the help of cooling units, for example, seasonal action. These units (vapor-liquid thermosyphons and gravity heat pipes) additionally cool the soil in winter and do not work in summer. With the help of such devices it is possible to significantly increase the bearing capacity of the bases and supports.

Известен ряд конструкций свайных опор строительных сооружений, представляющих собой охлаждаемые металлические или железобетонные сваи.A number of designs of pile supports of building structures are known, which are cooled metal or reinforced concrete piles.

Так, свайная опора по патенту Российской Федерации № 2250302 (опубл. 20.04.2005 [1]) содержит железобетонный или металлический вертикальный трубчатый ствол с горизонтальной опорной площадкой, расположенной над поверхностью грунта, и охлаждающее устройство в виде двух тепловых труб. Последние имеют одинаковые транспортные зоны и зоны испарения, расположенные внутри трубчатого ствола симметрично относительно его оси, и зоны конденсации. При этом зоны испарения обеих тепловых труб соединены своими нижними частями, а зоны конденсации расположены наклонно над поверхностью грунта под горизонтальной опорной площадкой сваи.So, the pile support according to the patent of the Russian Federation No. 2250302 (publ. 04/20/2005 [1]) contains a reinforced concrete or metal vertical tubular trunk with a horizontal supporting platform located above the soil surface, and a cooling device in the form of two heat pipes. The latter have the same transport and evaporation zones located inside the tubular barrel symmetrically about its axis, and the condensation zone. In this case, the evaporation zones of both heat pipes are connected by their lower parts, and the condensation zones are located obliquely above the soil surface under the horizontal supporting platform of the pile.

Свайная опора по патенту Российской Федерации № 2256746 (опубл. 20.07.2005 [2]) содержит вертикальный трубчатый ствол с горизонтальной опорной площадкой, расположенной над поверхностью грунта, и охлаждающее устройство в виде тепловой трубы. Транспортная зона и зона испарения тепловой трубы выполнены внутри вертикального железобетонного трубчатого ствола, а зона конденсации расположена наклонно над поверхностью грунта под горизонтальной опорной площадкой и выполнена в виде симметрично изогнутой трубы. При этом диаметр тепловой трубы в транспортной зоне меньше внутреннего диаметра трубчатого ствола, а зона испарения представляет собой кольцевую полость между наружной поверхностью продолжения транспортной зоны и внутренней поверхностью трубчатого ствола. В нижнем конце транспортной зоны тепловой трубы установлена заглушка, над которой в стенке транспортной зоны выполнены отверстия, а ниже этих отверстий в полости, являющейся зоной испарения, установлен козырек с отверстиями.The pile support according to the patent of the Russian Federation No. 2256746 (publ. July 20, 2005 [2]) contains a vertical tubular shaft with a horizontal support platform located above the soil surface and a cooling device in the form of a heat pipe. The transport zone and the evaporation zone of the heat pipe are made inside a vertical reinforced concrete tubular trunk, and the condensation zone is located obliquely above the ground surface under a horizontal supporting platform and is made in the form of a symmetrically curved pipe. The diameter of the heat pipe in the transport zone is less than the inner diameter of the tubular barrel, and the evaporation zone is an annular cavity between the outer surface of the continuation of the transport zone and the inner surface of the tubular barrel. A plug is installed at the lower end of the transport zone of the heat pipe, over which holes are made in the wall of the transport zone, and a hole with holes is installed below these holes in the cavity, which is the evaporation zone.

Свайная опора по авторскому свидетельству СССР № 630337 (опубл. 30.10.1978 [3]) выполнена в виде частично заглубленного в грунт трубчатого ствола, закрытого с обоих торцов, верхний из которых является опорной площадкой сваи. Указанный трубчатый ствол заправлен хладагентом и функционирует как тепловая труба с зонами испарения, транспортной зоной и зоной конденсации, расположенными вдоль трубчатого ствола по его высоте. В заглубленной части трубчатого ствола с зазором относительно внутренней поверхности его стенки размещена емкость с аккумулирующим холод веществом таким образом, что зоной испарения является полость, образованная указанным зазором. В качестве аккумулирующего холод вещества использован глинистый грунт.Pile support according to the author's certificate of the USSR No. 630337 (published on 10/30/1978 [3]) is made in the form of a tubular trunk partially buried in the ground, closed at both ends, the upper of which is the supporting platform of the pile. The specified tubular barrel is charged with refrigerant and functions as a heat pipe with evaporation zones, a transport zone and a condensation zone located along the tubular barrel along its height. In the recessed part of the tubular trunk with a gap relative to the inner surface of its wall, a container with a cold-accumulating substance is placed in such a way that the evaporation zone is the cavity formed by the specified gap. Clay soil was used as a cold storage substance.

Известные охлаждаемые свайные опоры по патентам [1, 2] и авторскому свидетельству [3] объединяет то, что они конструктивно совмещены с охлаждающими устройствами сезонного действия в виде одной или нескольких тепловых труб. Поэтому они обеспечивают охлаждение и замораживание грунта только в ближайшей окрестности наружной поверхности свайной опоры. Это снижает надежность сооружения, возводимого с использованием таких свайных опор, поскольку не может быть гарантировано отсутствие деформации грунта за пределами охлаждающего действия зоны испарения тепловой трубы, совмещенной со свайной опорой. Кроме того, подобные свайные опоры являются активными устройствами - гравитационными тепловыми трубами, работа которых может нарушиться, например, из-за утечки хладагента вследствие разгерметизации. При этом опора по авторскому свидетельству [3], содержащая аккумулятор холода, повышающий эффективность ее функционирования, имеет дополнительный источник ненадежности - возможность нарушения герметичности емкости с аккумулирующим холод веществом в результате расширения его при замерзании, что может привести к неработоспособности тепловой трубы при последующем оттаивании указанного вещества. Вследствие использования в этой опоре в качестве аккумулирующего холод вещества глинистого грунта эффективность охлаждающего действия аккумулятора холода невысока, так как свойства такого вещества лишь незначительно отличаются от свойств грунта, в котором устанавливается свайная опора. Далее в устройстве, совмещающем в себе функции опоры и тепловой трубы, эффективность действия тепловой трубы снижается из-за того, что толщина стенок трубчатого ствола должна выбираться достаточно большой с учетом того, что ствол является силовым элементом. При уменьшении же этой толщины снижается несущая способность свайной опоры.The well-known cooled pile supports according to patents [1, 2] and copyright certificate [3] are united by the fact that they are structurally combined with seasonal cooling devices in the form of one or more heat pipes. Therefore, they provide cooling and freezing of the soil only in the immediate vicinity of the outer surface of the pile support. This reduces the reliability of the structure constructed using such pile supports, since there can be no guarantee of soil deformation outside the cooling effect of the evaporation zone of the heat pipe combined with the pile support. In addition, such pile supports are active devices - gravity heat pipes, the operation of which may be disrupted, for example, due to refrigerant leakage due to depressurization. Moreover, the support according to the author’s certificate [3], which contains a cold accumulator that increases the efficiency of its operation, has an additional source of unreliability - the possibility of a leak in the container with the cold accumulating substance as a result of expansion during freezing, which can lead to inoperability of the heat pipe during subsequent thawing substances. Due to the use of clay soil as a cold storage substance in this support, the cooling effect of the cold accumulator is low, since the properties of such a substance are only slightly different from the properties of the soil in which the pile support is installed. Further, in a device that combines the functions of a support and a heat pipe, the efficiency of the heat pipe is reduced due to the fact that the wall thickness of the tubular barrel must be selected sufficiently large taking into account that the barrel is a power element. With a decrease in this thickness, the bearing capacity of the pile support decreases.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности сооружений, использующих охлаждаемые свайные опоры, в сочетании с повышением эффективности охлаждения и замораживания.The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists in increasing the reliability of structures using cooled pile supports, in combination with increasing the efficiency of cooling and freezing.

Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение по авторскому свидетельству СССР №630337 [3].Closest to the proposed is a technical solution according to the author's certificate of the USSR No. 630337 [3].

Охлаждаемая свайная опора для сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте, по предлагаемому изобретению, как и наиболее близкая к ней известная опора [3], содержит частично заглубленный в грунт металлический или железобетонный трубчатый ствол с закрытыми нижним торцом и верхним торцом, являющимся опорной площадкой, а также охлаждающее устройство сезонного действия. В заглубленной части указанного трубчатого ствола размещена емкость с аккумулирующим холод веществом.The cooled pile support for structures erected on permafrost, according to the invention, as well as the closest known support [3], contains a partially buried metal or reinforced concrete tubular trunk with a closed lower end and upper end, which is a supporting platform, and also a seasonal cooling device. In the recessed part of the specified tubular barrel, a container with a cold storage substance is placed.

Для достижения указанного выше технического результата в предлагаемой охлаждаемой свайной опоре, в отличие от наиболее близкой к ней известной, емкость с аккумулирующим холод веществом выполнена из эластичного материала и размещена с возможностью прилегания к внутренней поверхности стенки трубчатого ствола, а в качестве аккумулирующего холод вещества использована вода. При этом охлаждающее устройство сезонного действия выполнено в виде размещенных вне указанного трубчатого ствола одной или нескольких вертикально ориентированных гравитационных тепловых труб с зонами испарения и конденсации и размещенной между ними транспортной зоной, причем зона испарения каждой из этих труб находится ниже, а зона конденсации - выше поверхности грунта.To achieve the above technical result in the proposed cooled pile support, in contrast to the closest known to it, the tank with the cold storage substance is made of elastic material and placed with the ability to fit to the inner surface of the wall of the tubular barrel, and water was used as the cold storage substance . Moreover, the seasonal cooling device is made in the form of one or more vertically oriented gravitational heat pipes placed outside the specified tubular barrel with evaporation and condensation zones and a transport zone located between them, the evaporation zone of each of these pipes being lower and the condensation zone above the surface soil.

Благодаря описанному выполнению свайной опоры охлаждение грунта осуществляется гравитационными тепловыми трубами, расположенными вне трубчатого ствола и являющимися специализированными средствами, выполняющими только функцию охлаждения и замораживания грунта. Выбор их конструктивных параметров не ограничен прочностными требованиями, предъявляемыми к стволу. Поэтому они способны обеспечить замораживание большего объема грунта, чем тепловая труба, совмещенная с трубчатым стволом или размещенная внутри него. При этом поддержание грунта в замороженном состоянии и отсутствие его деформации обеспечиваются как тепловой инерционностью самого грунта, так и аккумулятором холода. Использование воды в качестве аккумулирующего холод вещества является наиболее рациональным, поскольку лед имеет весьма высокую удельную теплоту плавления. Благодаря тому что аккумулятор холода находится внутри трубчатого ствола свайной опоры, его действие в наибольшей степени распространяется на ближайшую окрестность ствола, т.е. на наиболее важную при эксплуатации свайной опоры зону. Нарушение целостности емкости с аккумулирующим холод веществом при его замерзании предотвращается благодаря выполнению емкости из эластичного материала и размещению с прилеганием к внутренней поверхности стенки трубчатого ствола. Кроме того, нарушение герметичности емкости, даже если оно имеет место, не оказывает влияния на работу охлаждающего устройства, расположенного вне трубчатого ствола.Thanks to the described implementation of the pile support, the cooling of the soil is carried out by gravitational heat pipes located outside the tubular trunk and which are specialized tools that perform only the function of cooling and freezing the soil. The choice of their design parameters is not limited by the strength requirements for the barrel. Therefore, they are able to provide freezing of a larger volume of soil than a heat pipe combined with or placed inside the tubular trunk. At the same time, maintaining the soil in a frozen state and the absence of its deformation are provided by both the thermal inertia of the soil itself and the cold accumulator. The use of water as a cold storage substance is the most rational, since ice has a very high specific heat of fusion. Due to the fact that the cold accumulator is located inside the tubular shaft of the pile support, its effect extends to the greatest extent to the immediate vicinity of the trunk, i.e. to the zone most important during the operation of the pile support. Violation of the integrity of the container with the cold-accumulating substance during its freezing is prevented by making the container of elastic material and placing it against the inner surface of the wall of the tubular barrel. In addition, the violation of the tightness of the container, even if it takes place, does not affect the operation of the cooling device located outside the tubular barrel.

Отмеченные факторы в совокупности определяют повышенную надежность функционирования предлагаемой охлаждаемой свайной опоры. В качестве дополнительных факторов, определяющих повышенную надежность сооружений, использующих свайную опору предлагаемой конструкции, можно указать, что при нарушении работы охлаждающего устройства оно в целом или входящие в его состав отдельные тепловые трубы могут быть легко заменены, поскольку они физически не объединены со стволом сваи.The noted factors together determine the increased reliability of the operation of the proposed cooled pile support. As additional factors determining the increased reliability of structures using the pile support of the proposed design, it can be indicated that in case of a malfunction of the cooling device, it as a whole or individual heat pipes included in it can be easily replaced, since they are not physically combined with the pile shaft.

Емкость с аккумулирующим холод веществом может быть заключена в жесткий каркас, что упрощает установку емкости внутрь трубчатого ствола. Наличие каркаса усложняет предлагаемую свайную опору лишь в минимальной степени и не способно повлиять на ее надежность ввиду чрезвычайной простоты конструкции каркаса, который может быть выполнен в виде опалубки или металлической либо пластмассовой трубы. Указанная емкость может быть выполнена в виде сосуда с горловиной, имеющей герметично закрывающуюся крышку. Заполнение этой емкости может быть произведено даже после установки трубчатого ствола сваи и не осложнено необходимостью заправки его хладагентом.The container with the cold storage substance can be enclosed in a rigid frame, which simplifies the installation of the container inside the tubular barrel. The presence of the frame complicates the proposed pile support only to a minimum extent and is not able to affect its reliability due to the extremely simple design of the frame, which can be made in the form of formwork or a metal or plastic pipe. The specified capacity can be made in the form of a vessel with a neck having a hermetically sealed lid. Filling this tank can be done even after installing the tubular shaft of the pile and is not complicated by the need to charge it with refrigerant.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежом.The proposed technical solution is illustrated in the drawing.

Охлаждаемая свайная опора, представленная на чертеже, включает в себя погруженный в грунт 2 металлический или железобетонный трубчатый ствол 1, закрытый снизу и снабженный в верхней части фланцем 3. Последний является опорной площадкой для установки элементов конструкции возводимого сооружения, например фермы линии электропередачи. Сбоку от трубчатого ствола 1 установлена, по крайней мере, одна гравитационная тепловая труба 4, являющаяся охлаждающим устройством сезонного действия. В случае когда возводимое сооружение устанавливается на нескольких свайных опорах, одна и та же тепловая труба, установленная между соседними свайными опорами, "обслуживает" обе эти опоры, так что количество тепловых труб, приходящихся в среднем на одну свайную опору, может оказаться не более одной.The cooled pile support, shown in the drawing, includes a metal or reinforced concrete tubular barrel 1 immersed in soil 2, closed at the bottom and provided with a flange 3 at the top. The latter is a supporting platform for the installation of structural elements of an erected structure, for example, a power line farm. At least one gravitational heat pipe 4, which is a seasonal cooling device, is installed on the side of the tubular barrel 1. In the case when the structure under construction is installed on several pile supports, the same heat pipe installed between adjacent pile supports "serves" both of these supports, so that the number of heat pipes per average on one pile support can be no more than one .

В трубчатом стволе 1 размещена герметичная эластичная емкость - сосуд 5, заполненный через заправочную горловину 6 водой 7. Горловина 6 герметизируется с помощью крышки 8. Перед установкой емкости 5 в трубчатый ствол 1 она может быть заключена в жесткий каркас (на чертеже не показан), который может быть выполнен в виде опалубки или металлической либо пластмассовой трубы. Емкость 5 благодаря эластичности ее материала (например, резины или пластмассы) принимает форму внутренней поверхности стенки трубчатого ствола 1 или согласованную с нею форму каркаса и предохраняется от разрыва при затвердевании воды 7.A sealed elastic container is placed in the tubular barrel 1 — a vessel 5 filled through the filling neck 6 with water 7. The neck 6 is sealed with a cap 8. Before installing the container 5 in the tubular barrel 1, it can be enclosed in a rigid frame (not shown in the drawing), which can be made in the form of formwork or metal or plastic pipes. Capacity 5 due to the elasticity of its material (for example, rubber or plastic) takes the form of the inner surface of the wall of the tubular barrel 1 or the shape of the frame coordinated with it and is protected from rupture when the water hardens 7.

Верхняя часть гравитационной тепловой трубы 4 имеет оребрение 9 и служит воздушным теплообменником и конденсатором для теплоносителя, заправленного в тепловую трубу 4. Нижняя часть тепловой трубы 4 находится в грунте и является зоной испарения 11. Тепло грунта воспринимается испарителем, переносится паром хладагента наверх в зону конденсации 12 через транспортную зону 10 и отдается окружающему воздуху, омывающему оребрение 9.The upper part of the gravitational heat pipe 4 has a fin 9 and serves as an air heat exchanger and condenser for the heat carrier charged into the heat pipe 4. The lower part of the heat pipe 4 is in the ground and is the evaporation zone 11. The soil heat is absorbed by the evaporator and transferred up to the condensation zone by the vapor of the refrigerant. 12 through the transport zone 10 and is given to the surrounding air washing the fins 9.

Предлагаемая свайная опора работает и используется следующим образом. В холодный период года тепловые трубы 4 перекачивают теплоту грунта в окружающий воздух, грунт 2 и вода 7 в емкости 5 охлаждаются и затвердевают. При этом скрытая теплота замерзания воды также переносится в воздух. Затем происходит дальнейшее охлаждение грунта и льда в емкости 5 с понижением температуры. В теплое время года тепловые трубы 4 сезонного действия не работают. Под действием внешних климатических факторов и теплоподвода от сооружения, в составе которого используется свайная опора, происходит отепление грунта и свайной опоры. Однако таяние льда в емкости 5, сопровождающееся поглощением большого количества поступающей извне теплоты, способствует увеличению продолжительности перехода грунта вокруг свайной опоры в незамороженное состояние. Благодаря этому удлиняется период, в течение которого свайная опора имеет высокую несущую способность.The proposed pile support works and is used as follows. In the cold season, heat pipes 4 pump the heat of the soil into the surrounding air, soil 2 and water 7 in the tank 5 are cooled and solidified. In this case, the latent heat of freezing of water is also transferred to the air. Then there is a further cooling of the soil and ice in the tank 5 with decreasing temperature. In the warm season, 4 seasonal heat pipes do not work. Under the influence of external climatic factors and heat supply from the structure, in which the pile support is used, the soil and pile support are heated. However, the melting of ice in the tank 5, accompanied by the absorption of a large amount of incoming heat from the outside, increases the duration of the transition of the soil around the pile support to an unfrozen state. This lengthens the period during which the pile support has a high bearing capacity.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ № 2250302, опубл. 20.04.2005.1. RF patent No. 2250302, publ. 04/20/2005.

2. Патент РФ № 2256746, опубл. 20.07.2005.2. RF patent No. 2256746, publ. 07/20/2005.

3. Авторское свидетельство СССР № 630337, опубл. 30.10.1978.3. Copyright certificate of the USSR No. 630337, publ. 10/30/1978.

Claims (3)

1. Охлаждаемая свайная опора для сооружений, возводимых на вечномерзлом грунте, содержащая частично заглубленный в грунт металлический или железобетонный трубчатый ствол с закрытыми торцами, верхний из которых является опорной площадкой, а также охлаждающее устройство сезонного действия, причем в заглубленной части указанного трубчатого ствола размещена емкость с аккумулирующим холод веществом, отличающаяся тем, что данная емкость выполнена из эластичного материала и размещена с возможностью прилегания к внутренней поверхности стенки трубчатого ствола, а аккумулирующим холод веществом в этой емкости является вода, при этом охлаждающее устройство сезонного действия выполнено в виде размещенных вне указанного трубчатого ствола одной или нескольких вертикально ориентированных гравитационных тепловых труб с зонами испарения и конденсации и размещенной между ними транспортной зоной, причем зона испарения каждой из этих тепловых труб находится ниже, а зона конденсации - выше поверхности грунта.1. A cooled pile support for structures erected on permafrost, containing a partially buried metal or reinforced concrete tubular trunk with closed ends, the upper of which is a supporting platform, as well as a seasonal cooling device, and a container is located in the buried part of the specified tubular trunk with a cold storage substance, characterized in that the container is made of elastic material and placed with the ability to fit to the inner surface of the walls ki of the tubular barrel, and the cold-accumulating substance in this tank is water, while the seasonal cooling device is made in the form of one or more vertically oriented gravitational heat pipes placed outside the specified tubular barrel with evaporation and condensation zones and a transport zone between them, the zone the evaporation of each of these heat pipes is lower, and the condensation zone is above the ground surface. 2. Свайная опора по п.1, отличающаяся тем, что емкость с аккумулирующим холод веществом заключена в жесткий каркас.2. The pile support according to claim 1, characterized in that the container with the cold storage substance is enclosed in a rigid frame. 3. Свайная опора по п.1 или 2, отличающаяся тем, что емкость с аккумулирующим холод веществом выполнена в виде сосуда с горловиной, имеющей герметично закрывающуюся крышку. 3. Pile support according to claim 1 or 2, characterized in that the container with the cold-accumulating substance is made in the form of a vessel with a neck having a hermetically sealed lid.