Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Значительные масштабы капитального строительства в СССР, меры ио охране природы и рациональному использованию природных ресурсов, ограничения в отводе под строительные площадки пахотных земель вызывают необходимость размещения многих строящихся объектов на грунтах, требующих улучшения их природных свойств. Более половины зданий и сооружений приходится возводить на широко распространенных просадочных и слабых глинистых грунтах. Являясь в твердом состоянии надежными основаниями и устойчивыми средами, лессовые и глинистые грунты при увлажнении изменяют свои строительные свойства, в значительной мере утрачивая ирн этом несущую способность и устойчивость. В ннх проявляются неравномерные просадки, сплывы, оползни, морозное пучеине н развиваются другие физико-геологические процессы, усложняющие и удорожающие строительство.
Устройство оснований и фундаментов на таких грунтах связано с большими затратами ма1;ериа.чьных и трудовых ресурсов. На эти цели, включая реконструкцию и усиление фундаментов действующих производств, ежегодно затрачивается свьште 3,2 млрд руб. Объемы капитальных вложений на основания и фундаменты в таких грунтах по мере дальнейшего увеличения масштабов строительства будут непрерывно возрастать. Поэтому проблема искусственного улучшения природных свойств лессовых и глинистых грунтов является одной из актуальных и важных в строительной науке и практике.
В этом отношении несомненный теоретический и практический интерес представляют способы термической обработки грунтов через буровые скважины и различные полости, позволяющие ие только ликвидировать в грунтах просадочность, морозное пучение и другие отри11ательные строительные качества, но и образовывать в результате обжига грунтов ограждающие и несущие конструкции. Основу термоупрочненных массивов и конструкций составляют термогруито- вые цилиндры, которые образуются вокруг каждой нагревательной скважины. Если скважины размещать таким образом, чтобы термогрунтовые цилнидры в процессе упрочнения грунта соприкасалась друг с другом, то удается получать сплошной упрочненный массив или различные сочетания цилиндров в виде куста сван, опор, фундаментов, подпорной стены, обделки выработок.
Перспективность метода термического упрочнения грунтов обусловливается его относительной высокой технической и экономической эффективностью. Важным преимуществом этого метода является практически нулевая материалоемкость работ по устройству оснований, фундаментов и других конструкций из упрочненного грунта, так как он сам служит первичным сырьем, а на обжиг затрачивается незначительное количество топлива или электрической энергии. При зтом резко сокращается потребность в привозных и местных матери- алах, уменьшаются объемы транспортных перевозок, высвобождаются мощности предприятий промышленности строительных материалов» достигается экономия цемента, металла, дерева. Данное обстоятельство особенно важно для объектов сельскохозяйственного, энергетического и иефтегайо-промыслового назначения, для которых характерны большая разбросанность, малообъемиость» удаленность от про-
изводственных баз и их недостаточная мощность, а также отсутствие, как правило, хороших транспортных коммуникаций. Для метода характерны также несложность применяемого оборудования, возможность использования всех видов топлива и электрической энергии, высокая степень механнзацин н автоматизации процессов. Прн этом до минимума сокращаются объемы земляных работ, снижаются затраты ручного труда, уменьшаются объемы капитальных вложений в основные н оборотные фонды строительных организаций и предприятий, Использование в процессах термоупрочнення грунтов высоких температур существенно расширяет область практического применения метода, так как спекать н расплавлять можно любые грунты, не разлагающиеся прн высоких температурах.
Несмотря на ряд очевидных н проверенных опытом преимуществ и достоинств метода термического упрочнения грунтов, его применение не вышло за рамкн экспериментального строительства и ликвидации в лессовых грунтах просадочных свойств в основаниях возводимых н реконструируемых объектов.
Широкому использован ню этого метода в народнохозяйственном масштабе препятствует ряд факторов. Прежде всего, это недостаточная изученность сложных процессов, сопровождающих нагревание и последующее охлаждение упрочняемых в массивах грунтов. Имеющиеся в этом направлении отдельные разработки разрознены, взаимно не увязаны единой методикой исследований, что крайне затрудняет, а чаще всего делает невозможным нх сравнительный анализ, научное обобщение и нсполь^ованне полученных результатов в практике. По термическому упрочнению грунтов нормативная документация разработана только для некоторых регионов, отсутствует специальная литература.
В связи с этим у заказчиков строительства, проектных и подрядных строительных организаций отсутствует обобщенная информация о возможностях различных способов термического упрочнения груи-- тов и накопленном опыте их практического применения, перспективе и путях дальнейшего совершенствования и развития метода в целом. Данное обстоятельство существенно сдерживает внедрение метода в практику в народнохозяйственном масштабе.
Данная книга является обобщением опыта и результатов собст- венньтх исследований автора. Она рассчитана на научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских, проектных и строительных организаций.
Автор выражает признательность д-ру техи. наук, проф. М.И. Смородинову за ценные советы и замечания, сделанные при ре* цензнровании рукописи.
ВВЕДЕНИЕ
Поп ытка термической обработки грунтов непосредственно на строительной площадке относится к концу XIX в. В 1887 г. обжиг глинистого грунта был осуществлен для получения балласта прн возведении земляного полотна железной дороги. В 1896-1898 гг. Ф.И. Кноррннг выполнил работы по устройству подпорной стены на оползневом откосе. Глинистый грунт загружали послойно с твердым топливом в траншеи, укрепленные шпальными срубами. Обжнг длился с перерывами в течение двух лет н была образована подпорная стена длиной 70 м, высотой 14 м, толщина ее достигала 4 м. Оползневые явления были полностью устранены н в дальнейшем не наблюдались.
Первые научные исследования процессов термического упрочнения глинистых грунтов иа месте строительства были начаты в нашей стране в интересах дорожного автогужевого и автомобильного дела. Работы проводились под руководством П.А. Земятчеиского и М.М. Фнлитова в 1926-1927 гг. Исследовались свойства обожженных глинистых грунтов с учетом их генетических особенностей н гранулометрического состава. Обжнг грунтов осуществляли в напольных печах, которые представляли собой чаще всего клетки из рельс, непрерывно в течение суток. После этого обожженный грунт разламывали, разбивали на отдельные кускн, доставляли на проезжую часть дороги и там втрамбовывал н в основание. При дальнейшей эксплуатации обожженный грунт выполнял функции как покрытия, так и подстилающего дренирующего слоя. Подобные работы были затем повторены рядом организаций на Валдайском, Майко-Кужорском, Кемь-Ух- томском, Серпуховском трактах в 1928--1934 гг., а также после Великой Отечественной войны в Красноярском крае. Для обжига использовали различные виды связных грунтов, а их обжнг производили не только в напольных печах, но н путем сжигания нефтепродуктов на проезжей части дорог с предварительным нарезанием последних на отдельные карты. Ценность этих работ заключается в том, что во-первых, они показали принципиальную возможность термического упрочнения грунтов в построечных условиях, а во-вторых, подготовили первую информацию о явлениях, сопровождающих процессы обжига поверхностных слоев глинистых грунтов. Обобщение опыта термоупрочнення грунтов в дорожных целях в этот период времени выполнили М.М.Филатов и В.М. Безрук.
Основываясь на опыте термического упрочнения грунтов предыдущих исследователей, Н.А. Осташев в 1934 г. предложил способ термического укрепления просадочных лессовых грунтов в основаниях зданий путем нагревания нх через буровые скважнньт. В 1938 г. этот способ был проверен в полевых условиях Н.А. Осташевым и А.А. Стороженко. Атмосферный воздух нагревали в специальной печи до температуры 500-600°С и под давлением иагиеталн в загерметизированные скважниы, а нз них в окружающий скважины массив просадочного грунта. Последний нагревался до 300--400°С. т.е. до температуры, существенно изменяющей просадочные свойства грунта. Однако из-за конструктивных и технологических недоработок этот способ в таком виде не вышел за рамки полевых испытаний.
Другой способ был предложен в 1947 г. научными сотрудниками Южного научно-исследовательского института промышленного строи-
тельства А.Ф. Беляковым, И.М. Литвиновым и П.К. Черкасовым. В этом способе нагретые газы генерировались в устье скважины или в ее стволе посредством сжигания топливных смесей. Способ получил признание и начал внедряться в экспериментальное и производственное строительство на объектах Украины начиная с 1953 г. Существенные изменения в него внесли ВИА им. В.В. Куйбышева. ГПИ (^Ундаментпроект, МИСИ им. В.В. Куйбышева, Харьковский Про- мстройНИИпроект, ХабИИЖТ, Киевский и Запорожский НИИСК Госстроя СССР, МТИ им. А.Н. Косыгина, ГПИ КрымНИИпроект. В совершенствовании различных способов термического упрочнения грунтов принимали участие и другие организации и отдельные исследователи. Изучению были подвергнуты немакроиорнстые грунты в откосах выемок для лнквндацнн явлений морозного пучения н оползней. Было предложено осуществлять нагрев грунтов также через буровые скважины до температуры ниже начала интенсивного спека
ния, предотвращая закупоривание пор в грунтовых стенках расплавом, сопровождающимся резким сокращением фильтрации нагретых газов в массив грунта. В результате такой обработки вокруг скважн- иы образуется своеобразный термогрунтовый цилиндр с непрерывно уменьшающейся в радиальном направлении прочностью, причем у стенок скважины прочность наибольшая. Она сравнима с характеристиками обыкновенного красного кирпича, полученного из неотсор
тированного сырья при таких же температурах обжига. По мере удаления от нагревательной скважины прочностные свойства термо
укрепленного грунта снижаются по определенному закону до на
чальных.
Плавление водонасыщенных плывунов было впервые выполнено
трестом Ка-чннинуголь Д.С. Слободкиным). В пользовали погружные создавать в скважинах сплавленные плывунытрестом Ка-чннинуголь Д.С. Слободкиным). В пользовали погружные создавать в скважинах сплавленные плывуныпри проходке шахты (результаты описаны качестве генераторов тепловой энергии ис- термографитовые нагреватели, позволяюпхие температуры до 2 000--2 5 00°С. Спекшиеся и отличались высокой механической прочно
трестом Ка-чннинуголь Д.С. Слободкиным). В пользовали погружные создавать в скважинах сплавленные плывуны
трестом Ка-чннинуголь Д.С. Слободкиным). В пользовали погружные создавать в скважинах сплавленные плывуны
стью и монолитностью. Эти работы были продолжены в ВИА им. В.В. Куйбышева автором с целью образования из термоупрочненных
различных грунтов самостоятельных ограждающих и несущих конструкций в виде рпор, свай, обделок и подпорных стен. Проведенные комплексные теоретические и производственные опыты полностью
подтвердили техническую осуществимость и экономическую целесообразность этого направления в интересах инженерного строительства. Опыты по заплавленню стволов скважин грунтами и их смесями были проведены с использованием жидкого и газообразного топлива и электрической энергии, преобразуемой в тепло в погружных термо- графнтовых и стержневых электронагревателях. Заплавление скважин грунтов в последующем было выполнено Р. Г. Погосяном, а смесями грунта с отходами химической промышленности - сотрудниками ГПИ Фундаментпроект. Возможность заполнения стволов скважин расплавом различных материалов существенно расширяет область практического применения метода в целом.
Опыты по армированию размягченнЬ1Х при высоких температурах связных грунтов металлом были выполнены автором в ВИА им. В.В. Куйбышева. Они показали, что силы сцепления стальной арматуры с расплавами грунтов после их охлаждения сравнимы с аналогичными характеристиками строительных бетонов. Вместе с этим вы-
явились и проблемные вопросы предохранения стали от окалины и сгорания, которые ждут своего разрешения в дальнейших исследованиях.
За последние годы разработано достаточно большое число новых технологий термического упрочнения грунтов в различных целях на уровне изобретений. Многие из них проверены в полевых условиях. На термически упрочненных грунтах возведено и реконструировано сйыше 300 различных зданий и сооружений, эксплуатация которых в течение нескольких десятилетий подтвердила надежность метода, его доступность для строителей, особенно в условиях реконструкции объектов и строительства в малоосвоеннЬ1Х регионах, а также прн проведении работ хозяйственным способом силами колхозов, совхозов и действующих производств. Ознакомление широкого круга специалистов с основами метода послужит его дальнейшему внедрению в практику.
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБОЖЖЕННЫХ В МАССИВАХ ЛЕССОВИДНЫХ И ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
Изменение физико-механических свойств связных грунтов при нагревании
Среди большого многообразия рыхлых горных пород, являющихся продуктом выветривания каменной оболочки земли, несцементированные мелкообломочные лессовидные и глинистые грунты занимают особое место. Отличительной особенностью этих грунтов является сложное минерально-дисперсное строение, являющееся результатом процессов внешней динамики земли. К их числу относятся выветривание, перенос продуктов разрушения водой и ветром, аккумуляция осадков в различных физико-географических средах и т.п. В условиях естественного залегания лессовидные и глинистые породы ■ представляют сложнейшую гетерогенную систему взаимодействующих между собой частиц твердого минерального скелета, различных видов содержащейся в порах грунтов воды, ее паров и газов. Физико-механические свойства этих грунтов в значительной мере определяются химическим и минералогическим составом частиц, величиной и характером пористости, количественным соотношением между твердой, жидкой и газообразной средами.
Лессовидные и глинистые грунты состоят не только из песчаных и пылеватых частиц, но и продуктов их выветривания -- глинистых фракций размером менее 0,005 мм. Большую роль в сцеплении частиц минерального скелета и их агрегатов играют коллоидальные фракции, имеющие размеры менее 0,001 мм. Именно глинистые, в том числе и коллоидальные частицы во взаимодействии с поровой влагой создают особые свойства связных грунтов, их низкую водо- и газопропускную способность, липкость, набухание, усадку, развитие внутренних сил сцепления и др.
Минералогический и химический составы, количественное содержание в грунтах глинистых частиц предопределяют, в свою очередь, характер формирования их свойств в процессе теплового воздействия при различных температурах и режимах нагревания грун-
тов・ Термическая обработка грунтов в условиях их естественного залегания и характер сопровождающих ее явлений существенно отличаются от обжига изделий ограниченных размеров, сущность которого подробно описана в обширной отечественной и зарубежной научно-технической литературе.
Поведение связных грунтов при их нагревании в массивах во многом зависит от химического и минералогического составов. Песчаные и пылеватые частицы в связных грунтах представлены первичными минералами исходных кристаллических пород. Минералогический же состав глинистых частиц отличается большим многообразием, однако основными минералами, как известно, являются каолиниты, монтмориллониты и ИЛЛИТЫ. и
Главной составной частью вторичных отложений глинистых пород является каолинит. Его образование связано с разрушением полевых шпатов в процессе их выветривания под воздействием углекислого газа. Каолинит имеет мельчайшее чешуйчатое строение, весьма пластичен, при, нагревании до 300℃ и выше полностью распадается на алюмосиликатные составляющие. Монтмориллонит является результатом выветривания габбро, базальтов, вулканических пеплов в условиях щелочной среды. Он входит в состав большинства лессовидных грунтов. Отличается высокой гидрофильностью, при увлажнении сильно набухает. В монтмориллонитах молекулы воды располагаются в межпакетном пространстве. При набухании они втягиваются внутрь кристаллической решетки. Иллиты, или гидрослюды, образовались за счет выветривания гнейсов, мусковитовых сланцев в условиях кислой среды. Они имеют чешуйчатую и тонкопластинчатую' форму. По своим характеристикам прочности и взаимодействия с водой занимают промежуточное положение между каолинитами и монтмориллонитами, приближаясь к последним.
Важнейшими примесями в связных грунтах являются карбонаты, сульфаты, железистые соединения, которые также оказывают влияние на ход и результат нагревания их в массивах и в лабораторных установках. В процессе дегидратации грунтов двуводный гипс переходит в полуводный. При температуре 800℃ и вы- ще карбонаты разлагаются с выделением свободной не- гашеной извести и углекислого газа.
Если в скважинах сжигаются топливные смеси, то вместе с нагретыми газами в массив грунта нагнетаются продукты сгорания топлива, в том числе окись углерода и углекислый газ, которые замедляют диссоциацию карбонатов кальция. В процессе спекания связных грунтов наличие в них окислов кальция способствует образованию веществ с гидравлическими свойствами. Модификационные превращения кварца при его нагревании, в результате которых он увеличивается в объеме, оказывает влияние на плотность и сплошность термогрунтовых образований.
Механизм изменения структуры связных грунтов при нагревании в массивах объясняют теорией, разработанной академиком П.А. Ребиндером, по которой в увлажненном состоянии эти грунты имеют коагуляционную структуру, отличающуюся низкой прочностью и ярко выраженной пластичностью. По мере удаления свободной и физически связанной воды при температурах до 100--200℃ коагуляционная структура переходит в конденсационную. При этом устраняются липкость, пластичность и повышается механическая прочность. Однако конденсационную структуру отличает низкая водостойкость, способность при увлажнении вновь сорбировать воду, размокать, утрачивать приобретенную при нагревании прочность и вновь переходить в первоначальную коагуляционную структуру. При температурах нагревания ниже 600℃ коренных изменений в связных грунтах не происходит, однако полностью устраняется просадочность и пучинность, возрастает прочность и водостойкость. Наиболее же глубокие и необратимые преобразования наступают при нагревании связных грунтов выше 600℃, в процессе которого практически удаляется вся химически связанная вода, входящая в состав коллоидных мицелл. Исключение составляет незначительное количество влаги в монтмориллонитах, которая испаряется при температурах около 800℃.
Прочность грунта возрастает по мере удаления из него влаги и зависит от количественного содержания глинистых частиц, увеличиваясь с их повышением. Процесс обезвоживания сопровождается преобразованием молекул глинистого вещества, изменением внутренней структуры и усадкой грунта. Высушенные грунты повышенно чувствительны к воздействию воды, при погружении в нее быстро размокают, что связано с
увеличенной пористостью, способствующей быстрому доступу влаги. Нагревание связных грунтов до 300°С полностью утрачивает способность их к размоканию. Пористость грунтов изменяется за счет удаления летучих компонентов, образования усадочных и термомеханических трещин, размягчения легкоплавких составляющих и заполнения ими порового пространства.
Прочность глинистых и лессовых грунтов, обработанных в интервале температур 600--900℃ слабо изучена. Теоретические представления не согласуются здесь с результатами практики, показывающей существенный прирост механической прочности грунтов именно в этом интервале, в этом направлении необходимы дальнейшие исследования. С повышением нагревания до температур обжига грунтов (аналогичная фаза в технологии керамического производства -- увеличение температуры до 900--950℃) в них начинают интенсивно размягчаться наиболее легкплавкие компоненты, грунт начинает спекаться, что сопровождается сближением частиц минерального скелета грунта и их агрегатов. Жидкая стекловидная фаза растворяет с поверхности зерна твердое кристаллическое вещество, насыщается им и кристаллизуется на поверхности не- растворенных зерен в виде твердой фазы. Размер зерен при этом у вел и ч и вается. Образуются новые соединения силикатов, алюминатов, алюмоферритов. Прочностные свойства полученного в результате спекания грунтов материала зависят существенно от режима охлаждения, уменьшаясь с повышением скорости остывания грунта. При этом образуются структуры, характерные Для магматических пород. Они могут быть плотными скрытно-кристаллическими, стекловатыми и стекловатопористыми. Образование стекловатопористой структуры при спекании объясняется выделением при плавлении грунтов водорода, метана и углекислого газа, выход которых в атмосферу по какой-либо причине затруднен.
Образование новых химических соединений при повышенных температурах может сопровождаться экзотермическими реакциями, например при образова- Нии аморфного глинозема, который затем превращает- Ся в кристаллический силлиманит и муллит. В процес- се спекания связных грунтов, как показали опыты, могут образовываться двух- и трехкальциевые силика- ТЬ1 и трехкальциевый алюминат, которые, как извест-
но, являются основными составными частями цементных клинкеров. В связи с этим обработанные при высоких температурах в массивах грунты не только не утрачивают приобретенную прочность, но и значительно ее увеличивают, в том числе и во влажной среде. Наибольшую прочность приобретают грунты, остывание которых ведется в режиме медленного охлаждения --закала. Резкий режим охлаждения нагретых грунтов вызывает хрупкость и снижение прочности, трещиноватость. При этом более чувствительны к скорости охлаждения связные грунты с повышенным содержанием глинистых частиц.
Прочностные и деформационные свойства грунтов, термообработанных в массивах и в лабораторных условиях
Многочисленными опытами установлено, что прочностные свойства связных грунтов, независимо от того в массиве или в образцах они подвергались термической обработке, возрастают с повышением температуры обработки. При этом имеет место некоторое замедление роста прочности в интервалах температур 600— 700℃ для легких суглинков и некоторых видов лессовых грунтов. Для глин и тяжелых суглинков оно на- блюдается при 800-900℃, а у лессовых грунтов, бога- тых монтмориллонитами» возможно не только замедление роста прочности с повышением температуры, но и некоторое уменьшение. Данное положение связано со структурными изменениями скелета грунта, например с интенсивным разложением глинистых веществ на окислы аллюминия и кремния. Прочностные свойства обожженных грунтов повышаются с увеличением в них содержания тонких глинистых фракций. Так как физико-химические процессы, сопровождающие термическую обработку грунтов, длятся в некотором временном интервале, то прочность обоисженных грунтов зависит также и от продолжительности обжига при каждой температуре, причем она оказывает существенное влияние в интервале 2--8 ч. Эксперименты показали, что прирост прочности с увеличением длительности действия температур от 4 до 8 ч и более не превышает 12--18%, что дает возможность рекомендовать нагревание грунта в массиве вести в течение 2--4 ч, учитывая
при этом и дальнейшее перераспределение температуры грунта в процессе его охлаждения.
Нами были выполнены обобщенные испытания механической прочности и деформативности термически упрочненных грунтов трех видов всеми основными способами. Термогрунтовые конструкции в виде подпорных стен, обделок шахтного ствола, отдельных массивов и опор были выполнены через системы нагревательных скважин с генерацией тепла в погружных термографитовых и стержневых электронагревателях и сжиганием топливных смесей. Механические свойства термоупрочненных грунтов испытывали непосредственно в конструкциях сквозным прозвучиванием импульсными ультразвуковыми приборами ИМ-2 и ПИК-7. По результатам прозвучивания определялись величины модулей продольной и поперечной деформации. Динамические свойства термоупрочненных грунтов выявлялись исследованием их на разрушение и выброс с помощью взрывчатых веществ по методике, общепринятой в горно-рудной промышленности. Статические испытания выполнялись на стандартных гидравлических прессах и приборах. Было установлено, что механическая прочность термоупрочненных грунтов может быть достаточно полно выражена в функции среднеинтегральной величины температуры нагревания Тср| которая зависит от кривизны термограммы --кривой изменения температуры по направлению действия теплового потока. Разработана методика определения Тср для плоского, радиального и сферического тепловых потоков и выявлена зависимость для ее определения в виде
% =〈АТс+ВТ1yС,(1.1)
где Тс -- температура обжига грунтов условно в центре скважи- нн, °C; Тк - температура нагревания грунта на внешнем контуре термогрунтового образования, °C; А, В, С, - коэффициент и функции* зависящие от вида теплового потока и кривизны термограммы - се показателя К (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Коэффи-Вид теплового потока
гн— — — — — - —— — — —-— — — — — — — — — — —
^ииплоский I радиальный I сферический
КК (К + 3)К(К?+6К+11)
1 +К(1 +К) (2 +К) (1 +К) (2 +К) (3 +К)
Результаты испытаний позволили (табл. 1.2) предложить поставить в соответствии коэффициенты крепости Ккр горных пород и термогрунтовых материалов, для которых выявлена корреляционная связь Ккр с Тср, а также Тер с временным сопротивлением сжатию Gc^, характеризуемых соотношениями:.
Ккр = (166,7+Тср)/(1383-0,821Тср);(L2)
G^ = (358,1+Тср)/(125,2-0,0714Тср),(1.3)
где G - среднее значение временного сопротивления сжатию термоупрочненного грунта, МПа; Тср - средиеиитегральное значение температуры нагревания грунта, °C.
Таблица 1.2
Характеристики прочности
Среднеинтегральная температура термического упрочнения грунтов. ТСр, °C
600-800 I 900-1100
1200-1400
Скорость продольной
2300-2900
3 200-3 800
4100-4700
волны, м/с
Расход ВВ на разруше-
120-300
300-750
1080- 1540
иие и выброс, г/м*
Динамический модуль
7,4—12,6
15,8—23,8
28,6 — 39,7
упругости, тыс. МПа
Временное сопротивле-
8,62-13,3
16,6-26,3
34,5-66,7
ние сжатию, МПа
Удельное сцепление,
0,6-1,2
1,59-3,07
4,4-12,1
МПа
Коэффициент Пуассона
0,21-0,185
0,18-0,178
Около 0,17
Коэффициент крепости
0,86 — 1,34
1,66 — 2,64
3,43-6.71
Примечание. Коэффициент вариации испытаний для продольной волны-- 2,1；・10,8%, разрушения и выброса - 8,7-19,3%, прочности на сжатие - 9,9-25,8%, удельного сцепления - 6,4-- 23,9%.
Эксперименты показали, что на прочностные свойства обожженных грунтов более существенное влияние оказывает не продолжительность нагревания свыше 4 ч, а скорость нагревания и охлаждения. Причем наибольшее влияние градиент температуры по времени оказывает на величины удельного сцепления и временного сопротивления разрыву, меньшее на сопротивление сжатию и коэффициент внутреннего трения. Так, повышение градиента в 10 раз от 20 до 200℃ снижает прочность на сжатие на 15--20% при конечной температуре обжига 1200℃ и на 34—39% при конечной температуре обжига 700℃, соответственно для коэффици-
ента внутреннего трения 16--40 и 45—60%, сопротивления разрыву 46—64 и 78--89%, удельного сцепления 39-65 и 51-77%.
• Морозостойкость грунтов, обработанных при 400℃, не превышает 6--8 циклов, при 600--800℃ она составляет 10--25 циклов, а затем непрерывно возрастает пропорционально температуре обжига. Просадочные свойства лессовидных грунтов устраняются при нагревании на 350--500℃ в течение 2--6 ч. Коэффициент размягчения обожженных в массивах грунтов также зависит от величины температуры и ее градиента по времени, составляя для 600--800℃ от 0,5 до 0,75 и возрастая до 0,75--0,92 при температурах обработки 800— 1200℃.
Выявлено, что в процессе термообработки крупность зернового состава увеличивается. Это дает нам право полагать, что повышение прочности идет не за счет Увеличения площади контактов отдельных частиц грунтов и их агрегатов (величина удельной поверхности уменьшается), а в результате упрочнения структурных связей между ними.
Отбор образцов из упрочненных массивов грунтов для испытаний связан с определенными трудностями по выпиливанию и высверливанию их и предохранению от трещинообразования. Для температур обработки Т = 400—1000℃ получена корреляционная связь для перехода значений временных сопротивлений сжатию образцов грунта, упрочненных в лабораторных установках G〃, к соответствующим величинам сопротивления сжатию термогрунтов в массивах GM, МПа, в виде
Gm = G订(0,48 + 0,0006Т),'(1.4)
”з которой видно, что это соотношение изменяется Т Г?оппоеием т* при Т = 4°0℃ GM = 0,72 G”，а при
—С это соотношение возрастает и G = G ：^х%Я “е^з значение GM = Сл при Т = 867℃^ Дан- ное обстоятельство объясняется тем, что при низких температурах обработки упрочнение образцов грунта в ：：：ановках осуществляется со всех сторон равномерно, 乂3我 Удаляется со всех сторон образцов, условия фор- ирования усадки более благоприятные. При высоких н： температурах в массиве создаются лучшие условия 諸 формирования структур термогрунтовых образова-
и за счет более медленного охлаждения,
Минимальные расчетные температуры обжига грунтов
В процессе глубинного обжига грунтов вокруг каждой нагревательной скважины, как уже было отмечено, образуется своеобразное термогрунтовое тело, прочностные и деформационные свойства материала в котором изменяются в радиальном от скважины направлении. Характер этого изменения зависит от режима и температурного поля, величины температуры обработки, которая, в свою очередь, определяется целью термического упрочнения грунтов. Можно выделить три основных направления применения метода: получение строительных материалов в виде крупного песка, щебня и камня; упрочнения массивов для ликвидации просадочных и пучинных свойств грунтов, оползневых явлений, уменьшения величин бокового давления со стороны грунтов на подпорные стены; создание термогрунтовых конструкций в виде свай, обделок, подпорных стен, противофильтрационных завес.
Для достижения соответствующих целей термическая обработка грунтов ведется при различных температурах. В связи с этим целесообразно ввести понятие минимальной температуры термоупрочнения грунта, подразумевая под ней такую температуру, обработка грунта при которой в заданном режиме обеспечивает получение и сохранение во времени требуемых физико-механических и других свойств термоупрочненного материала. Такие значения температур по результатам полевых испытаний и производственной проверки были получены (табл. 1.3).
Таблица 1.3
Минимальная расчетная температура.Минимальная расчетная температура.Цель термической обработки грунтов в условиях их естественного залегания
Минимальная расчетная температура.
Минимальная расчетная температура.
Получение строительных материалов900-1000
Упрочнение грунтовых массивов: ликвидация просадочных свойств350—400
уст ранение явлений морозного пучения сплывов500
снижение бокового давления на подпорные стены300-350
Изготовление термогрунтовых конструкций: сваи, опоры, обделки, подпорные стены600
без))ромерзания обожженных грунтов то же?для условий многокрагного промерзания-от-900-1000
таивания и для конструкций из расплава грунтов
По направлению от стенок скважины к периферии каждая температура распространяется со своей скоростью, величина которой повышается с уменьшением температуры. Так, температура 400℃ движется в нагреваемом массиве грунта со скоростью более высокой, чем, например, 800℃. Радиус, на который распространится фиксированная температура за время Г с начала обжига, вычисляется по приближенной зависимости Г = Y г(з+(аоС" Н)： (1.5)
где го - радиус нагревательной скважины, Н - глубина скважины, м; % - средняя объемная скорость термического упрочнения грунтов, определяемая опытным путем, "/%
Изменение прочности обожженных грунтов во времени
Важнейшей характеристикой термоупрочненных материалов, массивов и конструкций является длительная прочность. Опыты показали, что существует корреляционная связь между временным сопротивлением сжатию термоупрочненных грунтов непосредственно после обжига Go, МПа, характеризуемая соотношением
Gx = GJ0,0001(5+0,6С) Тср+(0,59+0,024г)]> (1-6)
где Т -- время после окончания термоупрочнения грунтов, лет.
Уравнение множественной корреляции (1.6) получено статистической обработкой результатов испытаний последовательно через 5, 10, 15 и 20 лет после окончания термического упрочнения четырех разновидностей связных грунтов. В первые 5 лет грунты, упрочненные при температурах ниже 820℃, могут снижать приобретенную прочность. Для температуры 400℃ это снижение составляет 21%. Повышение температуры свыше 820℃ обеспечивает непрерывное увеличение прочности во времени.
Экспериментами было установлено, что образование монолитных взаимосвязанных объемов термообработанного грунта достигается при условии содержания в нем не менее 10% глинистых частиц, что соответствует числу пластичности грунта, равному 7. В тех случаях, когда нагревание грунтов ведется до их спекания и плавления, содержание глинистых частиц имеет второстепенное значение, так как расплавлять можно
не только связные грунты, но и черноземы* пески, другие поверхностные отложения, не разлагающиеся при высоких температурах.
Зависимость (1.6) выявлена по результатам испытания кубических образцов грунта с размером ребра, равным 3 см. Этот размер определяется особенностями формирования прочности вокруг скважин, которая не-
прерывно изменяется по направлению теплового потока. Для перехода прочности кубиков других размеров хорошие результаты дает эмпирическая формула М-Д- Юрцановой
(L7)(L7)Ga = G^^/bS,
(L7)
(L7)
「干 G&，Gb прочность на сжатие образцов с размерами ребра а, Ь； К。^ 0,82--1,17 -- опытный коэффициент.
Для температурного интервала выше 600°С и числа пластичности более 7 нарастание прочности на сжатие приближенно с некоторым запасом можно оценить выражением
GT = Gh+Et(T-Th), (1.8)
где GT, GH - прочность на сжатие при температурах Т и Тн, МПа; Ет •- модуль термического упрочнения, характеризующий возрастание прочности на 1°С, МПа/°С.
В процессе обжига грунта в массивах объем последних практически не уменьшается. Вместе с тем при нагревании связных грунтов неизбежны структурные и термомеханические усадки. Следовательно, в массивах в результате усадочных явлений образуются изменения порового пространства и трещины, увеличивающие объем пустот. Пористость грунтов возрастает также и за счет выгорания различных компонентов. Если известны потери массы грунта при прокаливании р, %, и его удельная масса до термической обработки Уо и после нее Ут при температуре Т, то общую пористость можно оценить по зависимости
(1-9)(1-9)4=4+J二四(1—_也—io。」 п°Ут 1007 *
(1-9)
(1-9)
где По, Пт - соответственно начальная пористость и общая пористость грунта, нагретого до температуры Т, включая усадочные трещины и выгорание летучих компонентов.
Опыты по армированию термогрунтов металлом
Как известно, связные грунты по температуре плавления разделяются на легко- и тугоплавкие. Грунт тем легче плавится, чем меньше в нем глинозема, выше содержание кремнезема и больше различных плавней. При этом чем больше в грунте коллоидальных частиц, тем выше температура спекания и плавления. В данном случае под температурой спекания подразумевается такая температура, при которой начинается процесс плавления наиболее легкоплавких частиц: связывающих воедино всю массу грунта. Под полным спеканием понимается то состояние грунта, при котором все его поры заполнены расплавленным материалом, но сам грунт сохраняет свою форму. Наконец, под размягчением подразумевается состояние полного спекания, при котором грунт не выдерживает собственной массы и растекается. Спеканию и размягчению связных грунтов способствуют полевые шпаты, слюды, карбонаты, хлориты.
Принципиальная возможность армирования спекаемых грунтов металлами основана на малом отличии их линейного и объемного расширения. В табл. 1.4 приведены результаты опытов над 8-ю видами связных грунтов на сцепление их с арматурой диаметром 10 мм при заделке ее на 25 диаметров. Выброс при испытаниях составил по 2--4 образца.
Таблица 1.4
Условный лабораторный номер грунта
Число испытанных образцов
Выдергивающая нагрузка, тс
средняя
максимальная
минимальная
4
25
1,66
2,46
1,42
5
21
1,52
2,10
1,48
6
18
1,38
1,71
1,21
7
19
1,26
.1,60
1,06
8
21
1,06
1,42
0,92
И
16
0,88
1,18
0,78
12
26
1,40
1,92
1,24
14
17
1,18
1,56
0,96
Из таблицы видно, что показатели сцепления достаточно высоки, однако вопросы предохранения металла от окалины требуют решения. Материалом для заплавления стволов скважин в процессе образования
термбгрунтовых конструкций может служить сам грунт, предварительно высушенный, или его смеси с различными добавками, в частности с отходами химических производств, например селикагелем.
1-6. Примеры расчета
Пример 1. Термическое упрочнение на строительной площадке выполняют в массиве покровного суглинка мощностью Н = 10 м через н аг ревате л ьные скважины диаметром 0,2 м. Температура грунта на внешнем контуре , = 600℃, в стенках скважины Тс 二 1000℃ и Тс = 2000℃, Средняя обьемнан ско- Рость термического упрочнения по данным предварительно выполненного опыта а() = 0,32 м3/ч. Требуется определить прочность характеристики термоупрочненного в массиве грунта при К = 1.
Из табл. 1.1 для К = 1 находим А = 2,В = 4, С±6 (тепловой поток радиальный). Согласно зависимости (1.1) определяем для температур 1 000 и 2000℃ соответственно Т = 733℃ и _ср
Т^р = Ю67℃. Аналогично этому по (1.2) определяем величины коэффициента крепости термоупрочненного грунта для значений Т^р которые будут равны 1,15 и 2,43. Эти коэффициенты крепости эквивалентны горным породам - соответственно каменно- МУ углю и мягкому известняку. Согласно (1.3) для Т = 733℃ величина = 14,9 МПа и для Т = 1067。。значения G^次二 =29,1 МПа：
Пример 2. По условиям примера 1 требуется определить изменение размеров термогрунтового массива во времени для продолжительности процесса 丁 = 24 q и 丁 = 96 ч.
По соотношению (1.5) соответственно для радиуса нагревательной скважины, равного 0,1 м и глубины скважины 10 м определяем величины радиуса термогрунтового цилиндра： для длительности 24 ч он составляет 0,5 м, а для времени с начала обжига 96 ч радиус увеличивается до 1 м. Таким образом, при условиях данной строительной площадки и примененного спо- соба термического упрочнения грунта диаметр термогрунто- bqfq цилиндра за 3 сут увеличится на 1 м.
ГЛАВА 2.ГЛАВА 2.ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ ВНУТРИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН И ИХ ГАЗОПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ
ГЛАВА 2.
ГЛАВА 2.
. Уравнение теплового баланса в нагревательной скважине
Метод термического упрочнения грунтов является сравнительно новым и это в какой-то мере объясняет отсутствие единой терминологии. Необходи мост ь же в такой терминологии назрела, так как при выполнении исследований, анализе и обобщении их результатов, в выводах и рекомендациях одним и тем же понятиям нередко дают различные, часто взаимоисключающие, определения и толкования.
Прежде всего это относится к скважинам, через которые осуществляется нагревание грунтов. В научно- технической литературе и в практике исследований употребляются термины **обжиговые*\ ^рабочие**, "на- гнетательные0 скважины. По-видимому, более правильным будет название "нагревательная скважина”, так как ее основная функция заключается в передаче тепла в окружающий массив для нагревания грунтов. Нет единого мнения о названии обработанных вокруг нагревательных скважин объемов грунта. Чаще всего используются определения "термосвая”，^упрочненный термостолб**, ^керамическая свая", "термически укрепленный массив”. Автор полагает, что более точным и полным будет обобщенный термин птермогрунтовое те- ло” или итермогрунтовое образование'', который в зависимости от вида й формы конечного продукта обработки может конкретизироваться как ^термогрунтовая свая**, **термогрунтовый массив**, **термогрунтовая стена**, °термогрунтовый материал** и т. п. Такой термин характеризует достаточно понятно как способ образования, так и исходное сырье для изготовления термогрунтовых тел.
В научно-технической литературе дается разное название нагнетаемым из скважин в грунт газам. Боль- ше других получили распространение названия "рас- каленные газы**, ^горячие газы**, ^нагретый воздух и продукты горения топлива". Думается» что лучше при- Нять термин ^нагретые гази”，подразумевая под ними
смеси продуктов горения топлива с воздухом или только нагретый воздух. Наконец, о названии метода в целом. Термины ^термическое укрепление0, ^термическое закрепление” грунтов в условиях, когда целью метода являлось только улучшение природных свойств грунтовых массивов, их техническая мелиорация были вполне оправданы. Для характеристики метода как совокупности различных способов образования термогрунтовых тел в виде материалов, массивов и конструкций эти термины уже менее пригодны. Основным в данном случае является вопрос о прочностных характеристиках термогрунтовых образований. Поэтому более правильно будет использовать название "метод термического упроннения” или ^глубинного обжига” грунтов. Последнее название достаточно кратко и полно отражает сущность метода, принципиально не отличаясь от предыдущего, а именно: оно показывает, что термическая обработка осуществляется на глубине, а не на поверхности; полем положительных, а не отрицательных температур. При этом величина этих температур достаточна не только для прогревания грунтов, но и их упрочнения обжигом.
Нагревательная скважина является исходным пунктом формирования теплового потока и развития всех процессов, сопровождающих нагревание и охлаждение грунтовых массивов. Этим определяется необходимость и важность более полного исследования ее технологических возможностей и параметров процессов, к числу которых прежде всего относятся тепловая мощность, температурное поле и газопропускная способность нагревательной скважины.
Проблема передачи тепла в грунтовый массив вокруг скважин рассматривалась в предыдущих работах с точки зрения управления температурой газов внутри скважины путем изменения количественного соотношения между сжигаемым в них топливом и сжатым атмосферным воздухом. Попытка применения известных, в основном в области нефтегазовой отрасли, теоретических положений в интересах глубинного термоупрочнения грунтов показали значительные расхождения с результатами экспериментов. Причина расхождений заключается в существенных отличиях нагревательных скважин от нефтегазопромысловых. Для нагревательных скважин характерны относительно небольшие глубины порядка 2--25 м и создаваемые в них
избыточные давления в пределах 0,01--0,2 МПа, кратковременность функционирования, как правило, не более 15 сут, а также малые радиусы теплового влияния нагревательных скважин, не превышающие 1--5 м. В нефтегазовой же промышленности глубины скважин измеряются сотнями метров, давления достигают десятков МПа, а время исчисляется годами, причем радиусы влияния составляют сотни метров.
Процесс теплообмена системы **нагревательная скважина -- грунтовой массив** в общем случае происходит за счет передачи тепла массопереносом с нагретыми газами Qr и через минеральный скелет грунтовой стенки теплопроводностью, конвекцией и радиацией Qл. Поэтому без учета потерь, уравнение теплового баланса выразится связью
Q = Qr+Qw (2.1)
где Q - количество тепловой энергии, поступающей в скважину с нагретыми газами или генерируемой в ее стволе в электронагревателях, а также путем сжигания топливных смесей.
Количество тепла, передаваемого в грунтовой массив Qf в нагнетаемыми в него нагретыми газами, пропорционально их объему дебиту Энг и теплосодержанию Снг
^Г ~ ^ НГ^НГ* (2.2)
Значительно сложнее выявление параметров теплообмена через минеральный скелет грунтовой стенки скважин. Опыты показали, что даже в газонапорных способах термоупрочнения грунтов пренебрегать этим теплообменом можно далеко не всегда. С учетом реальных размеров нагревательных скважин, степени черноты атмосферного воздуха и продуктов горения топливных смесей удалось выразить величину、л в виде совокупности функций, каждая из которых зависит только от одного фактора, что весьма удобно для практических расчетов. Зависимость имеет вид
^л = Fc(Tr-TcKA1A2A3+A4A5A6), (2.3)
где Fc - площадь стенки скважины, занимаемая твердыми частицами минерального скелета грунта, м ; Тг, Тс - температуры соответственно нагретьгх газов и грунта в стенках нагревательной сква・ Жнны, К; А] - функция, зависящая только от Тг; А? - функция радиуса нагревательной скважины rQ; A3 - функция скорости газов в стволе скважины Уг; А《-функция приведенной степени черноты и коэффициента излучения абсолютно черного тела, выражена через
Тг; А5 - функция температуры нагретых газов Тг; Аб " функция отношения £/%
Значения функций, определяющих Q^ для реально возможных пределов изменения аргументов ro, Т , Уг, Те, Тг, К (табл. 2.1 и 2.2) и их графики (рис. 2.1) позволяют вести теплотехнические расчеты.
Таблица 2.1
Функция
373—
Температура на1 ретых газов Т「，К
I4731
673
1073
1273 J
1473
/1,Вт/(с"3・м2/・К)
4* Вт/(м2.К4)
2,25
1,98
1,62
1,44
1,26
3,27
2,93
2,50
2,28
2,06
/5, к
0,52
3,05
12,40
20,61
32,02
Таблица 2・2
Функция скорости газов в скважине
Функция радиуса скважины
Функция отношения температур Т/П1
% М/с
4,(m/<F
•2 г0» м
/2, m一°；
Тс/Тт
Аь
0,16
ол
1,546
0
1,00
0,5
0,57
0,15
1,462
0,2
1,25
1
0,2
1,381
0.4
1,65
1,74
0,25
1,319
0,5
1,88
2,74
0,3
1,274
0,6
2,18
3,03
0,4
1,202
0,7
2,53
3,62
0,5
1,149
0,8
2,95
4,19
0,6
1,111
0,9
3,44
4.74
0,7
1,075
1
4
5,28
0,8
1,046
5,79
0,9
1,021
10
6,31
1
1
Как следует из (2.3), величина & прямо пропорциональна разности температур (Тг-Тс) и находится в сложной зависимости от температуры газов Тг, радиуса скважины го, скорости газов в стволе Уг, атомного состава газов и их давления, отношения температур Тс/Тг. Эти факторы оказывают различное воздействие на функции. Так, с увеличением радиуса скважины го величина А2 уменьшается, а А4 возрастает. Повышение температуры газов Тг снижает А】и А4, но А5 увеличивает. Значения Q』увеличиваются с увеличением скорости движения газов Уг и отношения температур Тс/Тг. (Последнее обстоятельство приводит к более ин-
Рис. 2.1. Кривые теплообмена между газами и стенкой нагревательных скважинРис. 2.1. Кривые теплообмена между газами и стенкой нагревательных скважин
Рис. 2.1. Кривые теплообмена между газами и стенкой нагревательных скважин
Рис. 2.1. Кривые теплообмена между газами и стенкой нагревательных скважин
тенсивному нагреванию верхней части стволов нагревательных скважин, что приходится учитывать при конструировании герметизирующих скважины устройств.)'
Количество тепловой энергии, передаваемой в грунт через стенки скважины, точнее через ее внутреннюю поверхность, массопереносом с нагретыми газами Q「，в практических расчетах можно выразить в виде Qr = ЕскУ1(Р°-Ра)С°бТг，(2.4)
где Рск - площадь стенок скважины, м^; У] - скорость нагре- Tbix газов при входе в стенку скважины При единичной депрессии Р(/Ра = ｛，M/(c，MIIa); CQg - объемная теплоемкость нагретых газов, МДж/(м^°С); Ро - давление в наг ревате льиой скважине, МПа; Р^ - атмосферное давление, МПа.
Анализ (2.4) показывает нелинейную связь тепло- массопереноса с температурой газов Тг, так как объем- ная теплоемкость газов Соб также возрастает с повышением температуры, что приводит к дальнейшему увеличению Qr (табл. 2.3).
Таблица 2.3
Показатель
Температура газов 小 К
800
1 1000
1 12001 1400
Объемная масса газов, кг/м3
0,458
0,365
0,3050,260
Теплосодержание газов, КДж/(мЗ.К)
0,502
0,415
0,3580,312
Объемное теплосодержание, МДж/м3
0,400
0,415
0,4300,437
Вместе с тем, так как в большинстве известных способов термоупрочнения грунтов нагнетание нагретых газов осуществляют при температурах 1200--1400 К, то для приближенных расчетов, без существенной ошибки, можно принимать величину Снг = 0,43-0,44 МДж/м3.
Температуры газов и стенки скважины
При исследовании температурного поля внутри нагревательных скважин нас прежде всего интересуют соотношения между температурами газов и стенки скважины, так как при достижении температуры спекания грунт в стенках размягчается, заполняет поры и как следствие фильтрация нагретых газов в массив уменьшается или полностью прекращается.
Для факельных или любых газонапорных способов термоупрочнения грунтов, когда нагретые газы поступают в скважину извне или генерируются в ней с температурой То, уравнение теплового баланса принимает вид
GrCo6To = GrCo6Tr+(l-n)(Tr-Tc)Ka,(2.5)
где Gj, - расход газов в единицу времени, м'/с; П - пористость грунта в стенках скважины; Ка = (AjAzA^+A4A5А6), МДж/Сс'К'м^).
Разрешая (2.5) относительно температуры газов при входе их в стенку скважины, получим соотношение
Tq + Кт ТсTf
1十仆
где Кт = Ka(l-II)/GrCog - коэффициент, учитывающий влияние теплообмена через минеральный скелет грунта в стенках нагревательных скважин.
Исследование (2.3) дает основание сделать следующие выводы о возможных режимах технологических процессов внутри нагревательных скважин, которые зависят и определяются соотношением температур нагретых газов на входе в грунт Тг и грунта в стенках скважин Тс. В первом режиме, когда ТГ>ТС, тепловая энергия поступает в грунт массопереносом с нагретыми газами Qr и через минеральный скелет грунтовой стенки 、л, т.е. наиболее интенсивно. Второй режим соответствует равенству температур Тг = Тс. Особенностью этого режима является то, что в нем отсутствует теплообмен теплопроводностью и конвекцией, так как этот теплообмен наблюдается только при разности температур. Теплообмен лучеиспусканием в этом режиме происходит, но к изменению температуры стенки скважины и газов в ней не приводит. Третий режим может иметь место, когда температура стенки становится выше температуры поступающих в нее газов, т.е. при ТГ<ТС. В этом случае, ввиду того что теплообмен всегда идет в сторону менее нагретых тел, теплопередача теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием от грунтовой стенки идет в обе стороны. При этом тепловая энергия передается от стенки как в массив грунта, так и в ствол скважины, нагревая находящиеся там газы, которые, поступая в массив грунта с температурой ТГ<ТС, охлаждают грунт в стенке скважины. Следовательно, в третьем режиме количество тепловой энергии, передаваемой в нагреваемый массив грунта, становится минимальным.
Данное обстоятельство открывает возможность управления температурным полем в нагревательных скважинах путем варьирования величинами Кт, То, Тг, К (рис. 2.2). Регулирование температурами в скважи- не в значительной мере осуществляется изменением концентрации топлива в смесях или количества возду-
Рис. 2.2. Определение температурного поля в нагревательных скважинах в зависимости от технологического режима нагревания грунтов
ха при нагревании его с использованием различных видов генераторов тепла. В связи с этим возникает необходимость изучения закономерностей расхода воздуха, доля которого в стоимости работ по термоупрочнению грунтов может достигать 10--30%, особенно при использовании передвижных компрессорных установок.
Путем сопоставления и сравнения расходов воздуха на полное сгорание различных видов жидкого и газообразного топлив автору удалось показать, что количество воздуха в нормальном физическом состоянии, затрачиваемого на полное сгорание топлива не зависит от вида топлива, а определяется только его теплотворной способностью, т.е. его теплотой горения. Результаты этого сравнения показывают (табл. 2.4) возможность его практической реализации.
Из сравнения данных таблицы следует, что при сжигании топлива затрачивается около 0,267 мЗ/МДж (11,2104 мЗ/ккал) воздуха в нормальном физическом состоянии. Все, что затрачивается свыше этого, в реакции горения не участвует и расходуется на регулирование температуры продуктов сгорания топливных смесей.
В связи с этим общий расход воздуха можно выразить в виде
Таблица 2.4
■
Теплота сгорания
1Ъсход воздуха на
Удельный
Вид
топлива
полное сгорание
расход.
топлива
МДж/м3
м3 /кг 1
10 м3/
МДж/кг
/МДж
Нефть
41,94
11,2
267
Со髙Р
43,1-45,7
—
11,5—12,2
—
267
Мазут
40,44
10,8
—
267
Газы： к оксо-
18-20,2
-
4,8-5,4
267
вый гснера-
6-6,6
1,5-1,6
267
торный природ-
33,3-35,6
-
8,9-9,5
267
ный
(2.7)(2.7)а 二 b&oQ,
(2.7)
(2.7)
где В - коэффициент избыточности воздуха; GBo - удельный расход воздуха, равный 0,267 м3/МДж； Q -- часовой или секундный расход тепла по (2.1), МДж/с.
Выразим расход воздуха на единицу массы сжигаемого топлива соотношением
где GK - расход воздуха иагде GK - расход воздуха иа(2.8) конвективный процесс, м®/кг; Сд -(2.8) конвективный процесс, м®/кг; Сд -изменение расхода воздуха за счет пусканием, м^/кгизменение расхода воздуха за счет пусканием, м^/кгтеплообмена коидукцией и лучеис-теплообмена коидукцией и лучеис-
где GK - расход воздуха иа
где GK - расход воздуха иа
(2.8) конвективный процесс, м®/кг; Сд -
(2.8) конвективный процесс, м®/кг; Сд -
изменение расхода воздуха за счет пусканием, м^/кг
изменение расхода воздуха за счет пусканием, м^/кг
теплообмена коидукцией и лучеис-
теплообмена коидукцией и лучеис-
壽切 W 1500 /W 800 "凶ТС壽切 W 1500 /W 800 "凶ТСРис. 2.3. Определение расхода воздухаа - кривая для теплообмена массопереносом; 6 — графиче- ское поле для учета влияния кондуктивного и радиационного способов теплопередачиРис. 2.3. Определение расхода воздухаа - кривая для теплообмена массопереносом; 6 — графиче- ское поле для учета влияния кондуктивного и радиационного способов теплопередачи
壽切 W 1500 /W 800 "凶
ТС
壽切 W 1500 /W 800 "凶
ТС
Рис. 2.3. Определение расхода воздуха
а - кривая для теплообмена массопереносом; 6 — графиче- ское поле для учета влияния кондуктивного и радиационного способов теплопередачи
Рис. 2.3. Определение расхода воздуха
а - кривая для теплообмена массопереносом; 6 — графиче- ское поле для учета влияния кондуктивного и радиационного способов теплопередачи
Графическая интерпретация зависимости (2.8) представлена на диаграмме (рис. 2.3) на примере сжигания топлива с теплотой сгорания 42 МДж/кг. На диаграмме величина М равна по модулю G при Тс/Тг = 0 или при Тс/Тг = 2. Связь между М и 6Л выявлена в виде
6Л = М(1-Тс/Тг)> (29)
где М = Ка FJCogGt， м3/кг; Gt - расход топлива во времени, кг/с.
Так как М>0, то знак Ол зависит от отношения Тс/Тг, следовательно, для рассмотренных режимов расход воздуха сокращается по мере увеличения интенсивности теплообмена кондукцией и излучением. С точки зрения расхода энергетических ресурсов наиболее экономичным является такой технологияеский режим термоупрочнения грунтов, при котором отношение температуры стенки скважины Тс к температуре поступающих в нее газов Тг будет минимальным.
Методика расчета расхода воздуха по диаграмме включает следующие действия. Вначале по графику (рис. 2.3,а) определяется расход его на теплообмен мас- сопереносом без учета теплообмена через стенку скважины GK в зависимости от температуры горения топлива, температуры нагревателя и требуемого значения Тг. Графическое поле (рис. 2.3,6) служит для расчета изменения расхода воздуха в результате стока тепла через стенку. При этом на осях ординат или Тс = 2ТГ откладывается значение М и через точку пересечения с осью Тс = Тг проводят прямую так, как это показано на графике. Величина 6Л определится в зависимости от отношения Тс/Тг.
Температура внутри скважины может изменяться по глубине отвала. При этом для факельных способов генерации тепла внутри скважин важное значение имеет длина факела горения топливных смесей, величина которой определяет высоту заходки, так как при глубине скважины более длины факела ее ствол приходится обрабатывать, разбивая на отдельные заходки, равные или меньше длины факела. Опыты показали, что длина заходки для сжигания жидкого топлива не превышает 8--10 м, а для газообразного топлива 10—13 м. Размер заходки при использовании погружных нагревателей ограничивается их конструкцией и мощностью источников энергии. В ряде случаев с целью зо-
нального увеличения температуры факел специально концентрируется на отдельных участках ствола. Аналогичный эффект достигается и посредством локального увеличения мощности нагревателей.
Тепловой дебит нагревательной скважины
Для оценки потенциальных возможностей нагревательных скважин целесообразно пользоваться понятием тепловой мощности скважин, подразумевая под ней степень концентрации тепла на единицу поверхности стенок скважин в единицу времени. С учетом зависимости (2.1), (2.3), (2.4) это можно выразить соотношением, МДж/(с・м2)
Qo = У1(Р(гРа)С°б Тг+(1-П)Ка(Тг-Тс). (2.10)
В такой постановке вопроса тепловой дебит нагревательной скважины характеризует ее возможную или действительную производительность, величина которой, как это следует из (2.10), определяется сложной совокупностью различных факторов. В связи с тем, что значения У» ТГ,ТС, Ка могут изменяться по высоте скважины, прорезающей неоднородные напластования грунтовой толщи, зависимость (2.10) может быть применена для отдельных слоев и результаты затем суммированы. Наибольшую сложность в этом направлении представляет проблема определения скорости газов в стволе, величина которой непрерывно изменяется по глубине скважин, и определения ее связей со скоростью входа нагретых газов в грунтовую стенку, чему и посвящается следующий пункт данной главы.
Газопропускная способность скважин
Объемный дебит нагревательных скважин в целом и ее отдельных участков является многофакторной Функцией, зависящей от взаимодействующих сред гРунтовой среды и газов и их свойств, геометрической Формы и размеров скважин, технологии испытаний и производства работ. Точное решение такой сложной Функции связано с непреодолимыми трудностями. Од- нако в инженерных целях удается выделить основные из зтих факторов, фактически определяющих газопропускную способность нагревательных скважин, выя- ВИть степень их влияния. При этом определяющие
факторы имеют физический смысл и количественно могут быть замерены приборами в натурных условиях.
Для скважины с отношением площади сечения к периметру, равным р, в грунтах с удельной скоростью фильтрации У1? на произвольной глубине х связь между давлением Р и температурой Т получена в виде, удобном для интегрирования:
_+(—_)()二_рУ】(尸_〃)・ (2.П)
dx dx p dx T
Теоретически доказано, что давление газов в стволе нагревательных скважин для принятых в практике глубин изменяется по экспоненциальному закону, причем показателем экспоненты ввиду малости можно пренебречь и считать давление постоянным по всей высоте. Данное положение подтверждено непосредственными измерениями в полевых условиях многими испытателями, в том числе на скважинах глубиной до 25 м. В общем виде температурное поле внутри скважины также можно выразить экспонентой с показателем с, что дает возможность получить решение (2.11) в виде
у = № - Д) |ес("т)十―二—l]j, (2.12)
где Н - глубина нагревательной скважины, м; П — пористость, точнее просветность грунта в стенках.
Для равномерного температурного поля по стволу, чаще всего достигаемого при использовании погружных нагревателей, т.е. когда Р = Ро и Т = То, имеем из (2.12) соотношение
(2.13)(2.13)2П
(2.13)
(2.13)
У = У1(Ро—Ра)[1+— —(Я-х)].
尸0
После рассмотрения граничных условий выражение для начальной скорости Уо газов, обеспечивающей их распространение по стволу в объеме, достаточном для фильтрации в грунт под давлением Ро выразится зависимостью соответственно при х = 0 и с = О
Уо =У1(Д-^) кеЯ+Уо =У1(Д-^) кеЯ+2П2П94-1)];94-1)];(2.14)(2.14)
Уо =У1(Д-^) кеЯ+
Уо =У1(Д-^) кеЯ+
2П
2П
94-1)];
94-1)];
(2.14)
(2.14)
2П
У0 = У1(Р0-Ра)(1+ — Н)-(2.15)
Интересны опыты Р.Викова и М. Еотсета, которые установили, что проницаемость газов Мг и жидкости Кж в пористой среде зависит от ее степени влажности. При степени влажности грунта менее 0,2 фактически фильтруются только одни газы. С повышением ее до 0,5--0,55 проницаемость газов уменьшается до 20%, а с увеличением степени влажности до 0,8 проницаемость газов снижается и составляет около 5--10%. Обработка этих опытов дала возможность выразить связь между фильтрацией газов Мг, начальной Go и текущей G степенями влажности среды в виде
M广产:"2),(2.16)
где Мр - доля проницаемости газов при степени влажности G по сравнению с максимально возможной при G = 0.
Кривая (2.16) имеет точку перегиба при G = 0,316 с Мг = 0,6065, а при G = 1 значения Мг = 0,00674, т.е. составляют около 0,7% максимально возможного.
В последующих исследованиях Д.А. Эфрос выявил, что на характеристики проницаемости отдельных компонентов пористой среды оказывает влияние величина давления, однако общая закономерность существенного изменения не получает. Отметим также, что согласно (2.15) скорость нагретых газов при входе в грунтовую стенку отличается от начальной на порядок цифр, увеличенных на глубину скважины, что следует учитывать при разработке способов подачи или генерации газов в скважинах.
Испытание газопропускной способности скважин холодным воздухом производят с применением установки И.М. Литвинова, включающей два тканевых герметизирующих баллона, которые устанавливаются друг от друга на расстоянии, равном высоте участка скважины, подлежащего исследованию. Баллоны наполняются сжатым воздухом и герметизируют этот Участок. Воздух в испытываемую зону и баллоны подается от компрессора (рис. 2.4,а).
Однако данная установка при испытании скважин нагретыми газами требует применения жаростойких
Нигр?тыиНигр?тыи3、•3、•3344газгазnxPOXDGnxPOXDG
Нигр?тыи
Нигр?тыи
3、•
3、•
3
3
4
4
газ
газ
nxPOXDG
nxPOXDG
Рис. 2.4. Схемы испытаний газопропускной способности скважин в грунтах
а - холодным воздухом; б - нагретыми газами; 1 - скважины； 2 -- герметизирующий затвор скважины; 3 - расходомер; 4 - манометр; 5 -- многоточечная термопара; 6 — самопишущий прибор; 7 — компрессорная установка; 8 -- всасывающий коллектор; 9 -• герметизирующие баллоны; 2 0 — уплотненный грунт
материалов для баллонов и не исключает прорыва нагретых газов из исследуемого участка в соседние. Поэтому автором были предложены и совместно с В.А. Трегубовым проверены два других способа испытаний нагретыми газами (рис. 2.4,6). Технология этих способов заключается в следующем. Скважины разбивают на заходки, соответствующие мощности слоев с различной газопроницаемостью. После этого по первому способу проходится верхняя заходка и испытывается
при заданном давлении, затем добуривается вторая и испытывается и т.д. Второй способ предусматривает проходку всей скважины и последовательное испытание заходок снизу вверх с заполнением их после испытания грунтом. При этом дебит каждой заходки, начиная со второй, вычисляют по формуле
k 1
Q3 = Qck，2 Qi， (2.17) 1
где QCK - дебит всей скважины, м^/с; k — порядковый иомер заходки.
Дебиты скважин при фиксированных давлениях в скважинах замеряют после их условной стабилизации, которая считается достигнутой, когда средние арифметические из трех измерений (по 6 мин каждое) не отличаются друг от друга более чем на 5%.
Результаты исследований показывают, что газопропускная способность нагревательных скважин практически прямо пропорциональна величине избыточного давления и мало зависит от изменения радиуса скважин. Так, изменение диаметра скважин от 0,15 до 1 м, т.е. в 7 раз, привело к росту дебита в среднем на 68%. Так как на практике диаметр нагревательных скважин изменяется незначительно, его влиянием на конечный результат можно пренебречь. Выявлено, что скорость фильтрации нагретых газов через стенку скважин зависит от времени после проходки. Сущность этого явления заключается в разуплотнении грунта в стенках скважин после бурения и изменении его влажности, в процессе которой степень влажности грунта возрастает по глубине скважин. В связи с этим можно рекомендовать осушение стенок скважин до начала процесса нагревания грунтов.
Анализ результатов испытаний показал также, что прогнозирование газопропускной способности скважин по данным испытаний их холодным воздухом может привести к ошибочным выводам. Скорость фильтрации нагретых газов возрастает при этом неодинаково для Разных видов грунта. Для глин они увеличиваются в 2,3-2,8 раз, у суглинков -- в 1,7--2,4 раза, а у супесей- в 1,5—1,7 раза. Это различие связано, по-видимому, с особенностью строения пор грунтов, наличием закры- ТЬ1Х поровых пространств, разрывом замкнутостей при
испарении из них влаги, распрямлением чешуйчатых и тон коп л астинч атых частиц и других мало изученных факторов. Наиболее эффективным фактором роста дебитов нагревательных скважин является избыточное давление в них, способ проходки скважин, величина удельной скорости У「
Примеры расчета
Пример 1. Требуется рассчитать основные технологические параметры нагревательной скважины глубиной Н = 10 м, радиусом г0 = ОД м функционирующей в грунте с пористостью П = 0,5 и У = 2 м/с. Сжигается жидкое топливо с теплотой горения 42 МДж/кг, необходимо передать в грунт тепловой энергии 24 354 МДж. По опьттам У】=500 м/ (ч-МПа), Т?= =1000℃, Тс = 800℃.
По табл. 2.1 и 2.2 или графикам (см. рис. 2.1) находим： А】=1,44 Вт/(с~М-м2»6-К)； А2 =1,381 м"0^2 ; А3 =1,74 (м/с严； А4 =2,28 Вт/(м2-К4); As =20,61 К3; А6 =2,95.
Площадь внутренней поверхности скважины FCK = 3,14Х х(М(0,1+ 10) = ЗД7 м2. Площадь F^ = FCK (1 一 口)= 3,17X XO,5 = 1,585 м2. Количество тепла, поступающего в массив кон- дукцией, и лучеиспусканием в единицу времени согласно (2.3) Qn = 1,585(1000 - 800) (1,44-1,381-1,74 + 2,28-20,61-2,95)Х Х0,0036 = 162,1 МДж/ч. Здесь величина 0,0036 МДж/ (Вт*ч)— переводной коэффициент. Количество тепла, передаваемого с нагретыми газами в соответствии с (2.4) Q「= 3,17-500-0,5Х КО,433 = 343,2 МДж/ч, где 0,5 — избыточное давление в скважине, МПа; 0,433 МДж/м3 — объемное теплосодержание газов, определенное по данным табл. 2.3.
Общая производительность нагревательной скважины по (2.1) Q = 343,2 + 162,1 = 505,3 МДж/ч. Расход топлива во времени % = 505,3/42 = 12 кг/ч. Доля теплообмена массопереносом и через стенки скважины составляет соответственно 67,9 и 32,1%. Продолжительность процесса нагревания грунта 丁 = =24 254/505,3 = 48 ч.
Расход воздуха на 1 кг топлива в нормальном физическом состоянии по графику рис. 2.3〃 для Т「= 1000℃ (без учета теплообмена через стенки) — 30 mj /кг; с учетом этого теплообмена на рнс. 2.3,6 для TJT「二 0,8—27 м3 /кг.
Пример 2. Требуется рассчитать технологические параметры нагревательной скважины по условиям примера 1 для значения Т =950«С. с
Аналогично предыдущему определяем Q^ = 1,585(1000 — —950) (1,44-1,381 1,74 + 2,28-20,61*3,75)-0,0036 = 51,3 МДж/ч. Величина теплообмена за счет массопереноса остается без изменения. Общая производител ьность нагревательной скважины Q = 343,2 + 51,3 = 394,5 МДж/ч.
Доля теплообмена массопереносом и через стенку скважины соответственно составляют 87 и 13%. Продолжительность процесса 丁 = 24 254 /394,5 = 61,5 ч.
Согласно графику (см. рис. 2.3) для условия Тс/Тг = 0,95 находим расход воздуха на 1 кг топлива, равный 29 м3 /кг. Дин нагнетания этого объема воздуха величину избьггочного давления в скважине необходимо увеличить в 29/27 = 1,07 раз, что составит 0,5-1,07 二 0,54 МПа. Удельньтй расход топлива 'у 二 394,5/42 = 9,39 кг/ч. Продолжительность процесса т = =61,5 ч увеличилась по сравнению с предыдущим на 13,5 ч за счет у меньшения теп лообмена через стенку скважины с 162,1 до 51,3 МДж/ч. Общий расход воздуха составляет
24 254/42*29 = 16 746,8 м3. Производительность компрес- сорной установки для одной наг ревательной скважины 16746,8/61,5 = 272,3 м3 /ч.
Пример 3. Рассчитать расход электрической энергии и мощ- ность электронагревательных устройств по условиям примеров 1, 2. Расход электроэнергии 24 254/3,6 = 6737 кВт ч. Мощность электронагревателей по примеру 1 — 6737/48 = 140 кВт. Мощ- ность электронагревателей по условию примера 2 соответственно составляет 6737/61,5 = 109,5 кВт. Удельная мощность электронагревателей для условий примера 1 и 2 соответственно требуется 14 и 11 кВт/м.
ГЛАВА 3.ГЛАВА 3.ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА ВОКРУГ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН В ПРОЦЕССЕ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ
ГЛАВА 3.
ГЛАВА 3.
, Характеристики миграции влаги вокруг нагревательных скважин в процессе термообработки грунтов
Изучение технологических параметров нагревательных скважин позволяет выявить основные факторы, управляющие количеством тепловой энергии, передаваемой в грунтовый массив при различных режимах термического упрочнения грунтов. Однако эта энергия может быть использована по-разному. В связи с этим можно сказать, что выявленные в гл. 2 технологические параметры характеризуют потенциальные возможности нагревательных скважин, а исследование закономерностей температурного и влажностного полей вокруг них имеет своей целью изучить пути наиболее эффективной реализации этих возможностей, прежде всего с точки зрения экономии энергетических ресурсов и снижения длительности процесса.
Решение проблемы температурного поля вокруг нагревательных скважин связано с изучением неустано- вившихся процессов тепло- и массопереноса с изменяющимися во времени и пространстве характеристиками сред. Известные приближенные разработки задачи дают при сравнении с результатами эксперимента значительные расхождения.
Подобно тому как в керамической промышленности обжигу изделий предшествуют процессы их сушки, тепловая обработка грунтовых массивов начинается с удаления от скважин содержащейся в грунте свободной и физически связанной воды. При этом даже в относительно сухих грунтах количество удаляемой от каждой нагревательной скважины влаги исчисляется тоннами. Часть этой воды в процессе упрочнения грунтов испаряется через дневную поверхность в атмосферу, другая — перераспределяется внутри грунтового массива. При нагнетании из скважин холодного воздуха под давлением 0,05-0,27 МПа свободная вода отжимается от стенок скважин в глубь массива. Если в при
родном состоянии влажность грунта превышала предел раскатывания, то после 5-10 ч непрерывной продувки 0На снижалась, оставаясь во всех случаях на 10-16% выше предела раскатывания. Увеличение избыточного давления ускоряет процесс отжатия влаги, однако на величину конечной влажности грунтов существенно не влияет. При этом больший эффект продувка дает в бОЛее увлажненных грунтах. Следовательно, осушение грунтов холодным воздухом тем эффективнее, нем выше природная влажность грунтов и больше величина создаваемого в скважинах избыточного давления.
По мере нагревания грунтов скорость фильтрации влаги возрастает, что можно объяснить уменьшением электромолекулярного сцепления связанной воды с частицами грунта и вязкости свободной воды. Опыты показали, что полное испарение всей свободной и физически связанной влаги завершается при 170--200℃. При этом часть влаги в грунтовом массиве, нагретом в пределах 100—200℃, остается, причем ее количество возрастает с увеличением природной влажности грунта. В отдельных случаях учет объемов неиспарившейся влаги может иметь практический интерес, так как ее количество составляет от 4 до 20%.
В процессе термической обработки грунта влага отжимается от стенок скважин, нагревается, испаряется, перемещается вместе с парами по направлению теплового и газового потоков, конденсируется и процесс но, парения-конденсации многократно повторяется. Поэтому, как показали исследования автора, на некотором вполне определенном расстоянии от стенок скважин влажность грунта остается выше природной и образуется своеобразный порог влажности, непрерывно перемещающийся в глубь нагреваемого массива грунта. Образующийся порог влажности препятствует свободному распространению газового и теплового потоков. Зона формирования порога влажности соответствует температурному интервалу в 60--80℃. Увеличение влажности грунта на пороге, таким образом, является результатом совокупного воздействия термической диффузии-движения влаги за счет разности температур в сторону менее нагретой зоны, избыточного давления в скважинах, отжимающего влагу, а также в результате выпадения воды при конденсации ее паров. Эти параметры и их взаимное соотношение определяют форму и скорость движения порога влажности. ■
Если на входе нагретых газов в грунтовой массив основным препятствием служит стенка скважины, то на пути их перемещения внутри массива, через некоторое время после начала термообр абот к и, основным тормозящим фактором становится зона испарения-конденсации воды. При этом можно отметить тот факт, что если перед термоукреплением грунта он не был полностью водонасыщен, то степень влажности его на пороге остается всегда меньше единицы, т.е. максимальная влажность грунта на пороге ниже его полной влагоемкости. Поэтому нагретые газы, взаимодействуя с порогом, частично перемещаются в грунтовой массив через свободные поровые пространства.
Математическое моделирование процесса теплообмена вокруг нагревательных скважин существенно осложняет многообразие видов содержащейся в грунте влаги, различные температуры ее испарения и конденсации паров, разнообразие форм системы порового пространства упрочняемых грунтов. Оказалось, что наиболее просто эти факторы можно учесть изменением теплопроводности и теплоемкости грунта в окрестности точки кипения-конденсации влаги по методу А.В. Се- нюкова. Количественные же характеристики степени влажности достаточно полно выявляются экспериментально формой порога влажности грунта в массиве, позволяют упростить модель теплового поля путем замены дифференциального уравнения движения влаги зависимостью влажности грунта от температуры его нагревания. Форма порога влажности с достаточной для практики точностью аппроксимируется совокупностью параболических кривых с показателями степеней, зависящими от избыточного давления в скважинах, степени гидроизоляции поверхности земли вокруг скважин, начальной влажности и вида грунта.
Непосредственные измерения показали, что тепловая энергия, затрачиваемая на испарение содержащейся в грунтах влаги, служит одновременно и источником прогревания более удаленных от скважин объемов грунта при конденсации паров. Ввиду того что процесс испарения-конденсации непрерывно повторяется, перемещаясь от стенки скважин, грунт и содержащаяся в нем вода за пределами зоны конденсации паров нагреваются в результате выделения скрытой теплоты парообразования. При этом температура нагревания грунта мало отличается от температуры конденсации паров
влаги. Данное обстоятельство подтверждается рядом исследований, касающихся нагревания грунтовых массивов, например К.А. Оганова, А.П. Юрданова. В своей работе К.А. Оганов полагает возможным принять температуру нагревания грунтового массива, точнее поровой среды, за счет конденсации паров влаги, равной температуре испарения этой влаги. Практика многократных изменений в натуральных условиях показала, что грунт и содержащаяся в нем влага выше температуры конденсации влаги при испарении-конденсации паров не нагреваются. Температуры конденсации отличаются от температур испарения влаги на 20--40℃. Однако для практических расчетов их можно принять равными, что и сделано автором в качестве допущения при выводе зависимостей теплового поля, а связь теплообмена с влажностью среды представ
лена в видеСоб =лена в видеСоб =（?-Тк）2спуек W- 一而一e ，（?-Тк）2спуек W- 一而一e ，（3.1）（3.1）
лена в виде
Соб =
лена в виде
Соб =
（?-Тк）2
спуек W- 一而一
e ，
（?-Тк）2
спуек W- 一而一
e ，
（3.1）
（3.1）
среды.среды.где Cog — объемная теплоемкость грунтовой … ， МДж/（м'°C）; Сп - скрытая теплота парообразования, МДж/кг; ，ск '■ объемная масса скелета грунта, кг/м‘； W - влажность грунта В исследуемой точке; Ф = （丁3-工2）/6 - параметр закона нормального распределения, °C; Т?，丁3 - температуры начала и окончания испарения-конденсации влаги, °C; TR - температура среды, при которой происходит наиболее интенсивное испарение-конденсация, °C.
среды.
среды.
Интегрирование （3」）в интервале 工一Т3 дает количество тепла, затрачиваемого или выделяемого при испарении-конденсации влаги из единицы объема грунтовой среды, а деление полученного результата на величину скрытой теплоты парообразования — количество испарившейся влаги. Для учета воды, испарившейся через дневную поверхность и не участвующую в формировании порога влажности, вводится поправочный коэффициент.
Распространение тепла вокруг Цилиндрической скважины
Ввиду большой сложности точного решения такой задачи в инженерных целях приходится пренебречь Рядом второстепенных факторов, принимая следующие предположения и допущения.
В теплотехническом отношении грунт считается однородным изотропным материалом и представляется
системой плоских дисков, состоящих из частиц минерального скелета грунта, разделенных газовыми прослойками, по поверхности которых распределена грунтовая влага; число дисков определяется гранулометрическим составом минеральных частиц грунта и его пористостью.
Правомерность дисковой модели определяется выявленной автором ранее неизвестной закономерности переориентации глинистых частиц в направленном тепловом потоке, обнаруженной экспериментальным путем. Заключение о явлении переориентации сделано на основании ряда экспериментальных данных. Прежде всего при испытании газопроницаемости грунтовых массивов из связных покровных образований оказалось, что скорость фильтрации газов по направлению движения газового потока увеличивается в 5--6 раз, а в вертикальном направлении, наоборот, уменьшается в 1,2--1,8 раза. Данное обстоятельство можно объяснить только переориентацией частиц глинистых минералов вдоль движения теплового и газового потоков. Затем было обращено внимание на то, что термогрунтовые опоры, образованные нагнетанием в грунт нагретых газов, выдерживают статические нагрузки в 5--20 раз большие, чем термогрунтовые сваи, изготовленные за- плавлением стволов различными смесями. В первом случае тепловой и газовый потоки ортогональны стенкам скважин, во втором -- параллельны им. Установлено было также, что в процессе термоупрочнения массивов грунтов при нагревании их от 900--1000℃ в стенках скважин с уменьшением температуры в радиальном направлении до начальной, массив осадки не дает. Это можно расценивать как проявление закономерности переориентации глинистых частиц, их перекомпоновки, распрямление чешуйчатых форм, раскрытия замкнутых пор и результат образования в связи с этим новых агрегатных систем.
Наконец, дисковая модель подтверждается и конфигурацией частиц глинистых минералов, которые, как известно, имеют толщину в 10--100--1000 раз меньше двух других размеров соответственно для каолинитов, иллитов и монтмориллонитов.
Потери тепла через торцы скважины не учитываются, поскольку ее длина в 25--200 раз больше диаметра.
Тепловая энергия передается в грунт с массой
нагнетаемых нагретых газов в соответствии с (2.4) и через стенку скважины согласно (2.3) кондукцией и
лучеиспусканием.
Температурное поле внутри нагревательной скважины изменяется по зависимости (2.6). Температура нагретых газов регулируется количеством подаваемого в скважину воздуха, выражаемого соотношениями (2.7) и (2.8).
Теплообмен на поверхности скважины происходит по закону Ньютона. Тепловая энергия затрачивается на нагревание минерального скелета грунта и воды и на ее испарение. Пары влаги при конденсации отдают тепловую энергию согласно (3.1) и нагревают минеральный скелет грунта и содержащуюся в грунте влагу до температуры конденсации.
Таким образом, задача ставится в следующем виде. Из полностью тепло- и массоизолированной с торцов цилиндрической скважины, пройденной в однородном и изотропном грунтовом массиве, через ее стенку в пористую грунтовую среду передается тепловая энергия, которая расходуется на нагревание минерального скелета грунта и влаги и испарение влаги. Тепловая энергия передается через твердые минеральные частицы грунта и с массой нагретых газов. Подлежит определению температурное поле вокруг нагревательной скважины, продолжительность процесса, затраты энергетических ресурсов.
Распространение тепла в газовом потоке и в минеральном скелете грунта описывается системой дифференциальных уравнений вида
行-Г),行-Г),，＜Х 疗 2a гВв^Вв，＜Х 疗 2a гВв^Вв(3.2)(3.2)
行-Г),
行-Г),
，＜Х 疗 2a гВв^Вв
，＜Х 疗 2a гВв^Вв
(3.2)
(3.2)
где В；, Вв …размеры пор на входе в массив и текущие, с учетом заполнения их влагой, м;
dT入 dT 2a
()++-
(F-Л.(3.3) 43(F-Л.(3.3) 43drrdr
(F-Л.
(3.3) 43
(F-Л.
(3.3) 43
где Вт - привел^<ная толщина диска модели грунта, м; % С, Л и % С, А - объемная масса, теплоемкость, теплопроводность соответственно нагретых газов и минерального скелета грунта, кг/м3, МДж/ (кг-°С), МДж/(ч-м).
Решение систем (3.2), (3.3) выполняется при следующих краевых и начальном условиях. Первое краевое условие связывает температуры газов и грунта, замыкая систему в соответствии с зависимостью (2.6). Второе краевое условие определяется тем, что теплообмен на внутренней поверхности стенок скважины, занимаемой твердыми частицами, осуществляется по закону Ньютона.
а (亍-Т) =，о = -入万г =，о.(3.4)
Третье краевое условие находится из предположения, что температурные возмущения распространяются только в пределах заранее задаваемого из реальных условий возможного распространения тепла, в пределах радиуса теплового влияния нагревательной скважины, который характеризуется на внешнем контуре упрочняемого массива полной теплоизоляцией, т.е. принимается, что
d Гdrd Гdr(3.5)(3.5)
d Г
dr
d Г
dr
(3.5)
(3.5)
Начальное условие задается соотношением температур грунта и газов в начале процесса. Весь грунтовой массив вокруг нагревательной скважины можно условно разбить на две основные зоны. Первая из них, близлежащая к скважине, является рабочей, в которой совершается термическое упрочнение грунта до расчетной температуры Тр, обеспечивающей образование и сохранение во времени в последующем заданных свойств в упрочненном грунте на внешнем контуре зоны с радиусом гр. Вторая же зона, по сути дела, если не учитывать эффект интерференции смежных нагре-
вательных скважин, является неизбежной, но бесполезной. Она, в свою очередь, состоит из двух подзон: от внешнего контура гр до радиуса конденсации влаги и ее паров гк, на обработку которой затрачивается тепловая энергия; от контура гк к периферии, грунт в которой и влага в нем нагреваются без дополнительной затраты тепла за счет его перераспределения в процессе охлаждения отработанных газов и конденсации паров влаги.
Решение системы уравнений осуществляется сеточным методом с использованием неявной схемы, а решение системы сеточных уравнений -- методом последовательных приближений. В основе вариантной проработки задачи положено сравнение результатов решений с экспериментальными данными, полученными при изучении температурных полей в натурных условиях в грунтах, характеристики которых усреднены (табл. 3.1). Полученные результаты считаются достоверными, если они расходятся с опытными в пределах не более 20%. Варьирование факторов проводилось в пределах их возможных практических значений по шкале варьирования.
Исследуемый факторИсследуемый факторШкала варьирования факторов
Исследуемый фактор
Исследуемый фактор
Радиус скважины, м0,05-0,1 -0,15-0,2-0.3-0,4 -0,5
Скорость газов па входе в грунтовую стенку, м/г . 0- 5-10-20-40-80-100-200-400
Избыточное давление, МПа ... .0—0,02-0.05-0,1-0,2—0,5一0、8-1
50-100-200 -400-600—100050-100-200 -400-600—1000Скорость нагревания грунта в стенках скважины, °С/ч
50-100-200 -400-600—1000
50-100-200 -400-600—1000
Температура стенки скважины, °C:
при обжиге грунтов500-600-800-900-950-1000-1050
при спекании1200-1400-1600-1800-2000
Коэффициент пористости грунта0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1-1,2-1,4
Степень влажности грунта . . . .О-О,2-О,3-О,4-О,5-О,7-О,9-1
Основными задачами вариантных проработок являлись: выявление вида термограмм вокруг нагревательных скважин и возможности их аппроксимации для практических целей; определение температурного поля и размеров термоупрочненного массива грунта во времени при различных режимах нагревания и охлаждения грунтов; оценка влияния различных факторов на ход и конечный результат процесса термоупрочнения грунтов; сравнительный анализ теоретических и
金金АвторАвторАвтор и Н.А. ОсташевТо жеАвторАвтор и Н.А, ОсташевВ.С. Подъяконов,К.Т. ТайляковАвтор, Ф.П. ЗахаровИ.М. ТюринВ.И. Матошин, И.В. Степура,В.М. СырыхА.О. Касперский, Л,Г. Мариупольский, В,И. ШароватовАвтор и Н.А. ОсташевТо жеАвторАвтор и Н.А, ОсташевВ.С. Подъяконов,К.Т. ТайляковАвтор, Ф.П. ЗахаровИ.М. ТюринВ.И. Матошин, И.В. Степура,В.М. СырыхА.О. Касперский, Л,Г. Мариупольский, В,И. Шароватов2 752651 79 15 79 -2 752651 79 15 79 -8•°8•°778 5 13 9 4 1 11 2 3 &8 5 13 9 4 1 11 2 3 &9393422612871341П^п^ъа^-Q^Q^ -422612871341П^п^ъа^-Q^Q^ -884■44■4889 72 5 7 27^3Л1 7 о 7 6 7 7 6 7 -9 72 5 7 27^3Л1 7 о 7 6 7 7 6 7 -10 5>710 5>77777772 м62 м62 13 8116 6 061 3 &"2h, J 1119 11 - 82 13 8116 6 061 3 &"2h, J 1119 11 - 82о2о77-9,77-9,5390318143455444539031814345544433Великие ЛукиНахабино1,771,963. Ужур1,554. Запорожье1,485. Никополь1,506. Волгоград> 1,767. Днепродзержинск 1,548, Саранск1,639. Волгодонск1,6110. Хабаровск2,0011. Запорожье1,5812. Грозный1,70Великие ЛукиНахабино1,771,963. Ужур1,554. Запорожье1,485. Никополь1,506. Волгоград> 1,767. Днепродзержинск 1,548, Саранск1,639. Волгодонск1,6110. Хабаровск2,0011. Запорожье1,5812. Грозный1,701 8 644 4111 o^4^L4n^n^n^L 111912121 8 644 4111 o^4^L4n^n^n^L 11191212Таблица 3.1
金
金
Автор
Автор
Автор и Н.А. Осташев
То же
Автор
Автор и Н.А, Осташев
В.С. Подъяконов,
К.Т. Тайляков
Автор, Ф.П. Захаров
И.М. Тюрин
В.И. Матошин, И.В. Степура,
В.М. Сырых
А.О. Касперский, Л,Г. Мариупольский, В,И. Шароватов
Автор и Н.А. Осташев
То же
Автор
Автор и Н.А, Осташев
В.С. Подъяконов,
К.Т. Тайляков
Автор, Ф.П. Захаров
И.М. Тюрин
В.И. Матошин, И.В. Степура,
В.М. Сырых
А.О. Касперский, Л,Г. Мариупольский, В,И. Шароватов
2 752651 79 15 79 -
2 752651 79 15 79 -
8
•°
8
•°
7
7
8 5 13 9 4 1 11 2 3 &
8 5 13 9 4 1 11 2 3 &
9
3
9
3
422612
871341
П^п^ъа^-Q^Q^ -
422612
871341
П^п^ъа^-Q^Q^ -
8
8
4
■4
4
■4
8
8
9 72 5 7 2
7^3Л1 7 о 7 6 7 7 6 7 -
9 72 5 7 2
7^3Л1 7 о 7 6 7 7 6 7 -
10 5>
7
10 5>
7
77
7
77
7
2 м
6
2 м
6
2 13 81
16 6 061 3 &"2h, J 1119 11 - 8
2 13 81
16 6 061 3 &"2h, J 1119 11 - 8
2о
2о
77-9,
77-9,
53903181
43455444
53903181
43455444
3
3
Великие Луки
Нахабино
1,77
1,96
3. Ужур
1,55
4. Запорожье
1,48
5. Никополь
1,50
6. Волгоград
> 1,76
7. Днепродзержинск 1,54
8, Саранск
1,63
9. Волгодонск
1,61
10. Хабаровск
2,00
11. Запорожье
1,58
12. Грозный
1,70
Великие Луки
Нахабино
1,77
1,96
3. Ужур
1,55
4. Запорожье
1,48
5. Никополь
1,50
6. Волгоград
> 1,76
7. Днепродзержинск 1,54
8, Саранск
1,63
9. Волгодонск
1,61
10. Хабаровск
2,00
11. Запорожье
1,58
12. Грозный
1,70
1 8 644 4111 o^4^L4n^n^n^L 11191212
1 8 644 4111 o^4^L4n^n^n^L 11191212
Регион
Плотность, г/см3
Влажность, %
Пористость, %
Химический составИсточник информации, ис-
AI2O3
SiO2
СаО+ MgO
民203
прочие
При меча н и е. Прочерк - отсутствие опытных данных; характеристики грунтов осреднены и соответствуют расчет-ным на ЭЦВМ; для грунтов № 7, 10, 12 в расчетах принята условная массовая теплоемкость, равная 0,837 КДж/ (кг-°С).
зкспериментальных данных расхода знергетннескнх ресурсов。
Результаты решения задаинн сравнительного анализа с натурнимннзмеренивмн сводвтсв к следуюгце— му・ На скорость распространенно расиетних темпера— тур Тр наиболее интенсивное впинние оказывает вели— иина создаваемого в скважинах И36Ь1ТОНОГО давпеннн》 степень впиннин которого тем иквф* ием больше ра? иетнан температура Тр упрочнения грунта на внешнем контуре"
Физическая сущность зтого впивнив объясняется тем》ито увепииением депрессии возрастает скорость нагретнх газов прм входе в массив грунта м увепиии— ваетсн тепловая мощность нагревательной скважиньг При зтом газьне успевал охпадитьсну стенок сква- жиньвипьтруютсн в периверийньте ЗОНЕ с более Bbl— сокой температурой》иемпри низких давпенинх* При зтом термограмма уменьшает кривизну- непроизводительной сток тепла за предепн рабочей зоньт сокрахца- етсу знергетииескме ресурса расходуются более зко— номно"
Скорость термоупро匸неких грунтов увелиниваетсн и с возрастанием дпнтепьности процесса термообработ- Ksy однако менее интенсивно》нем при повьтшении из — бнтоиного давления* В свнзи с зтим можно сделать Bbl- вод о том》ито прмравнЕХ других условиях увелиие— них размеров термоупроиненного грунта следует Доби— ватьсн не за счет повнгленин длительности процесса》а путем роста И36Ь1ТОНОГО давпенин в нагревательных скважинах*
Нсспедованин показали〉ито характеристики теплового попн находнтсн в сложной зависимости от впаж- ности грунта* Ее совокупное впинние пронвпнетсн в замедлении процесса* Вместе с тем оно уменьшаетес возрастанием И36Ь1ТОНОГО давпенин и степени влажно— сти грунта в природном состоянии до начала термоо работки*
Увепииение температура стенки нагревательной скважини приводит к росту копииества тепловой знер— гни" аккумулируемой бпизпежаЕИМ к скважине о&ье— мом грунта* Одновременно наблюдается сокращение стока тепла за предепьт расчетного контурам тем боль— Е£ем иквф расиетнан температура- спеповательноу термоупр。匸 некие грунтов целесообразно вести при максимально высоких температурах нагреваннн Грун，
та в стенках скважин, особенно это важно, когда целью процесса является образование относительно тонкостенных термогрунтовых конструкций.
Геометрические размеры упрочненного массива возрастают и с увеличением радиуса нагревательной скважины. Однако это влияние ниже, чем выше рассмотренных факторов. Для радиусов скважины более 0,3-- 0,5 м, соответствующих на практике уширениям стволов нагревательных скважин, более интенсивно распространяются высокие температуры, а кривизна термограмм уменьшается. При этом больше энергии аккумулируется грунтом ближе к стенкам и скорость распространения фронта высоких температур возрастает. Так как на практике диаметр нагревательных скважин обычно принимают 0,15--0,24 м, то влиянием его на параметры процесса при газонапорных способах термоупрочнения грунтов можно пренебречь.
Анализ результатов исследований показывает, что наибольший градиент влажности по расстоянию возрастает по мере удаления от скважины. В связи с этим можно сделать вывод, что по мере распространения фронта испарения влаги в глубь массива опасность развития в грунте трещин усадочного происхождения возрастает. В этом отношении в более благоприятных условиях находятся объемы грунта, близлежащие к стенкам нагревательных скважин.
Изменение величины среднего размера частиц минерального скелета грунтов в принятой модели на порядок цифр практически не отражается на характеристиках температурного поля, что, по-видимому, связано с большой удельной поверхностью частиц в единице объема глинистых грунтов.
Интерес представляет тот факт, что температура нагретых газов в массиве превышает температуру минеральных частиц всего лишь на сотые доли градуса, что было замечено и раньше И.А. Чарным.
Химико-минералогический состав грунтов, характеризующий в принятой модели его теплофизические свойства, при конвективно-теплопроводных способах теплообмена оказывает незначительное влияние, а с увеличением теплообмена кондуктивно-радиационным путем это влияние возрастает. При этом обобщенный коэффициент теплообмена изменяется в широких пределах, уменьшаясь в радиальном от скважины направлении.
Лучшую сходимость с опытами дают термограммы, аппроксимированные кривыми вида
Т - TQr/r"， Об)
где К - показатель термограммы, характеризующий ее кривизну, от величины которого существенно зависят параметры процесса, его длительность и расход ресурсов (см. табл. 1.1); То - температура в скважине (условно на ее продольной оси), °C; гсК 一 радиус теплового влияния нагревательной скважины, м.
Нагнетание холодного воздуха или частично подогретого воздуха в нагретый массив грунта через скважины приводит к перераспределению температурного поля. Холодный воздух, проходя через нагретый массив, подогревается, а затем отдает полученную тепловую энергию менее нагретому грунту, повышая его температуру. За счет эффекта охлаждения воздухом размеры расчетной рабочей зоны возрастают на 15— 22% без дополнительного расхода тепловой энергии. Причем эффективность повышается для более низких расчетных температур, а градиенты температур по расстоянию уменьшаются в радиальном направлении. Данное обстоятельство показывает, что с точки зрения сохранения сплошности упрочненного массива грунта в процессе его охлаждения таким способом, в наиболее выгодных условиях оказываются периферийные объемы грунта. Продолжительность охлаждения грунтового массива сокращается с увеличением избыточного давления.
Средние расходы энергетических ресурсов на термическое упрочнение грунтов, характеристики которых приведены в табл. 3.1, различны (табл. 3.2). Ее анализ показывает, что на испарение из массива содержащейся в нем влаги расходуется от 31,7 до 66,7% всей тепловой энергии. Прослеживается также зависимость коэффициента избыточности воздуха от пористости грунта, который возрастает с ее увеличением. Это связано с возрастающим влиянием кондуктивно-радиационного теплообмена по мере снижения пористости грунта.
Характеристики экспериментов и расчетные параметры температурного поля для исследованных видов грунтов (табл. 3.3) позволяют рассчитать также и показатели измерения температурного поля в натурных условиях.
Для оценки эффективности способов термического упрочнения грунтов целесообразно ввести понятия ско-
Таблица 3.2
Условный номер грунта по табл. 3.1
Расход энергетических ресурсов, подсчитанный на ЭВМ
Фактический расход энергетических ресурсов по опытам
Отношение фактического расхода к расчетному
тепловой энергии
сжатого воздуха
всего, МДж/м'
в том числе испарение воды
всего, мЗ/МДж
коэффициент избыточности
воздуха
тепловая энергия, МДж/м3
сжатый воздух, мЗ/МДж
тепло
воздух
римсчание- Расход ресурсов рассчитан на объем грунта в радиусе температуры Тк; * затраты воздуха с учетом продувки скважин и грунтового массива.
Таблица 3.3
Условный номер грунта по табл. 3.1
Основные характеристики эксперимента
Расчетные параметры температурного поля
Характеристики измерения температурною поля
избыточное давление в скважине, МПа
расчетная температура грунта, °C
продол жи- телыюсть обжига
грунта, ч
&，м
к
Среднее квадратическое отклонение, %
1
0,08-0,12
900-940
100
0,78
0,70
3,46 _
Через центральные шахты на глу-
2
0,10-0,13
880-960
120
0,52
1,00
11,45
бинс 2 и 4 м,термопары ТХА- ХШ
3
0,08-0,12
900-940
96
0,84
0,65
9,75
На глубине 4 и 8 м.термопары ТХА-ХШ
4
0,09-0,11
980-1020
125
1,88
0,50
17,76
На глубине 5 и 8 м, термопары ТХА ХШ
5
0,03-0,07
940-980
100
1,53
0,70
18,31
Пакетное размещение скважин на 4 м, термопары ТХА-ХШ
6
0,10-0,12
950-990
136
1,22
0,70
9,14
Центральные скважины на 5 и 7 м, термопары ТХА-УШ
7
0,08-0,10
900-1000
96
1,14
0,70
5,32
Пакетные шахты, глубина 4 м; вертикальные шурфы на 3 м, термопары ТХА-УШ
8
0,03-0,05
980-1020
48
0,80
2,00
19,47
По цвету грунта после вскрытия
9
0,07-0,09
900-940
96
0,80
0,68
8,50
обожженного массива
5932074328219636576371681221212325525932074328219636576371681221212325526160202726492231205662481111111111 сч 1111 и сч 11 1111 11 11 11 11 11 11 11 11 11 «L6160202726492231205662481111111111 сч 1111 и сч 11 1111 11 11 11 11 11 11 11 11 11 «L420836030307819151176091788009908920С* о о wh wh с? о 1 о- ^и 11 «L420836030307819151176091788009908920С* о о wh wh с? о 1 о- ^и 11 «L8200080504076021201031509199919191918200080504076021201031509199919191916018620243084472197052196018620243084472197052196026280565645427472079^*96678877865876026280565645427472079^*9667887786587оооооооооооо623690886657453226253635оооооооооооо623690886657453226253635оооооооооооо611220900330898889798989оооооооооооо611220900330898889798989123456789111123456789111
593207432821
963657637168
122121232552
593207432821
963657637168
122121232552
616020272649
223120566248
1111111111 сч 1111 и сч 11 11
11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 «L
616020272649
223120566248
1111111111 сч 1111 и сч 11 11
11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 «L
420836030307
819151176091
788009908920
С* о о wh wh с? о 1 о- ^и 11 «L
420836030307
819151176091
788009908920
С* о о wh wh с? о 1 о- ^и 11 «L
820008050407
602120103150
919991919191
820008050407
602120103150
919991919191
601862024308
447219705219
601862024308
447219705219
602628056564
5427472079^*9
667887786587
602628056564
5427472079^*9
667887786587
оооооооооооо
623690886657
453226253635
оооооооооооо
623690886657
453226253635
оооооооооооо
611220900330
898889798989
оооооооооооо
611220900330
898889798989
123456789111
123456789111
©ИЖ9。WOHdoJ'ou s& OHgowEe
◎IfouOHdAIedIIWZI 芝 XIH4言 « ^ SKSXMSO Soo ОС OHHO5A BlHHd=^pdAiEdouwai KH§£ •OHHEhowHdu
1 , 1 d
1 &
1 。
1 s
iV
1 H
1 e 1 d
1 m
1巴
1 5
9
E rn
0
1 9
1 E 1 O?
О
о
1 9
1 О
!
亡
00
1 О 1 00 1 о
但
1 о
•
1 00 !
1 1
1 00 1 о
1 о
о
I 2
InA—vxl BdRlJOW
1 Q- §1
12dI
11
11
1я1нd ? a1
f1m工舌1
1e11
1 S 1 D 工 丁 ^^ 1
1 X L1
11
1dl1
1 £ g 1 г 1
111
11®!
1 E 1 U1
1 S 1 SI
1 g 1Km 1
1 s 丨 * U =1
丨岂1件1
1 二 1 о СО с1
丨 н 1 о S s1
la 1 П1
I О 1 s SSs 1
•g ・U9DI 3nHv*UOQOdu
рости термоупрочнения ар до расчетных температур и коэффициента полезного действия КПД, которые можно получить, исходя из следующих соображений.
На практике нас прежде всего интересует скорость распространения фронта расчетных температур Тр — ар, определяющая интенсивность формирования расчетного объема грунта. Принцип определения величины ар заключается в соотношении тепловой мощности нагревательной скважины с удельными затратами тепла на нагревание единицы объема упрочняемого грунта. За элементарный период времени dr из нагревательной скважины с тепловой мощностью Q будет передано тепловой энергией QdT . Это приведет к приращению объема грунта dV = 2?rHrdr, нагретому по внешнему контуру до расчетной температуры Тр, причем на нагревание единицы объема грунта расходуется Qy тепловой энергии. Исходя из этой схемы, можно составить дифференциальное уравнение
QdT = 9y2rHrdr, (3.7)
после интегрирования которого получим соотношение
ар = Q/Qy = [JrH(r2-r2)]/t. (3.8)
Если тепловая мощность нагревательной скважины увеличивается во времени, то интегрирование производится аналогичным путем, например для закона изменения Qe -Qtt выражение для а получим в виде
(3.9)(3.9)Q _ 开8（1+丁）（^一片）
(3.9)
(3.9)
QyT1 + г
Физический смысл коэффициента полезного действия КПД заключается в отношении обработанного до расчетной температуры Тр объема грунта тгНг^ к его объему в радиусе теплового действия скважины или радиуса конденсации влаги, т.е. яНг^. Следовательно,
КПД = (Гр/%)2. (3.10)
Вид температурных кривых и аппроксимирующих их термограмм (рис. 3.1 и 3.2), рассчитанных для наиболее типичных из исследованных грунтов (согласно табл. 3.1), показывает их хорошую сходимость.
Рис. 3.1. Общий вид температурных кривых
а - расчетная приведенная термограмма; tf — термограммы для грунтов № 2, 3, 11 (опытные точки - по средним из всех определений)
Рис. 3.2. Термограммы при обжиге и спекании грунтов
а - обжиг грунтов № 7-12 (по средним из всех определений); 6 - спекание грунтов в стенках скважин электронагревателями для грунтов № 1-3 (по средним из всех определений)
Анализ данных (табл. 3.3) показывает, что величина показателя термограмм для исследованного достаточно широкого класса грунтов измеряется в пределах 0,5-2 При этом средние квадратические отклонения экспериментальных точек изменяются в интервале 3,36-19,47%. Фактический расход тепловой энергии и воздуха соответственно больше расчетных в 1,11--1,23 н 1,16--1,33 раза. Как видно из показателей табл. 3.3, величина этих отклонений относительно стабильна и может быть учтена введением поправочных коэффициентов.
3.3 Метод расчета технологических параметров
Решение системы дифференциальных уравнений (3.2) -- (3.3) позволяет рассчитывать все основные параметры процессов термического упрочнения грунтов вокруг одиночных скважин. Однако алгоритм и программа достаточно сложны и доступны только специалистам. Они требуют также определенного навыка отладки программы с учетом реальных геотехнических условий строительной площадки. Вместе с тем выявленные обобщенные закономерности процесса дают основание для решения задачи более простым методом, с достаточной для практики точностью.
Прежде всего -- это вид температурной кривой скважины-термограммы, описываемый аппроксимирующей зависимостью (3.6), в которой показатель степени характеризует совокупное влияние ряда факторов, из которых, как показали исследования, наиболее значительными являются величины степени влажности грунта в природном состоянии Спр, избыточного давления в скважине Р и длительности процесса Т • Для значений Т= 20 125 ч и Риз = 0,02 -- 0,2 МПа получено уравнение регрессии в виде
А = (1+4С11р)(0,5 - 1,21РНЗ- 0,0010. (3.U)
При решении инженерной задачи важен и вывод о возможности приближенного определения расхода тепловой энергии в виде суммы затрат ее на нагревание минерального скелета грунта и испарения из нагреваемого массива содержащейся в нем влаги. Такой инженерный прием используется практически всеми исследователями способов термоупрочнения грунтов.
Если пренебречь ввиду малости величинами радиуса скважины и начальной температуры грунта, принять закон изменения температуры (3.6), а также не учитывать теплообмен при конденсации паров влаги, тепловые потери и миграцию влаги за пределы радиуса теплового влияния нагревательной скважины, то расход тепла можно представить в виде
?о …ск U-(f 1偿]
Q =0СК + Qb = 2 ТГ ЯУСК / d Т / (& +政刁 rdr + о D
+ ”& ЯУскСи 川=”喂 НУ ©к [ f°Co [1 - 2(—-)]/fe +
^(_I_)2/»t] dT+ 俨& [T- 2T(』-)1 木 + T (宣-)2信]dT j +
+ яг^ ЯУСК cn W,(312)
где Kc ■■ коэффициент, учитывающий изменение удельной теплоем- кости Со минерального скелета грунта с увеличением температуры нагревания, МДж/(кг,ос2)； Q^ .. количество тепла на испарение влаги из объема, ограниченного радиусом фронта конденсации влаги гк, МДж.
После интегрирования (3.12) и подстановки пред- елов получаем соотношение в виде
2 То °
0 = В 尸& ^ск Gk— + "，к "Уск Q ",(3.13)
2 + к (К + 3)
2ro 千 к (к + 3)刀t
где Сск = Со +среднинтегральиое значе-
2+ 无3 + 3)
ние величины теплоемкости скелета грунта, нагретого от температуры Тп До Тк, МДж/(кг-℃).
Практика показала, что (3.13) завышает фактиче- скнй расход тепловой энергии. Причина заключается в ™^ что тепловые потери составляют не более 5 - ^0 Л, уменьшаясь с увеличением глубины скважины. В то же время имеет место миграция влаги за контур
фронта испарения влаги, часть воды в количестве 4 — 22% остается неиспарившейся в массиве грунта, нагретом до 100 -- 200℃, грунт и вода нагреваются до температуры конденсации влаги за счет скрытой теплоты парообразования, выделяющейся при конденсации паров. Учитывая это, в результате интегрирования (3.12) в пределах температур от Тк до То получим выражение
Q =%r2HycK(CCKTcp+CnW),、(3.14)
27c + 左(左 + 3) Тк
где 丁 = среднеинтегральное значе-
Ср 2 + k(k+3)
ние температуры нагревания скелета грунта, ℃
Удельный расход тепла на 1 м3 термоупрочнения грунта составит: в расчете на весь объем грунта, нагретого по внешнему контуру до температуры Тк> радиуса гк
Qy,K = Уск©кТ；р+см),(3.15)
где Тсо - вычисляется по данным зависимости (3.14); в расчете на объем по внешнему контуру любой, отличной от Тк температуры Тр, радиуса гр〔
Qy,p = ycK(CcKTcp+qw)丽，(3・15а)
2%+ 无(无+3"К
где Тс = средняя температура для
p2 +左次+ 3)
радиального теплового потока, ℃, как и в (3」4); КПД = (Гр/гк) — * коэффициент полезного действия по (ЗЛ 0).
На основании приближенных зависимостей для определения скорости процесса ар коэффициента полезного действия нагревательной скважины КПД, затрат тепла Q и свойств грунта можно рассчитать приближенно все основные параметры процесса.
3.4. Примеры расчета технологических параметров
Пример 1. Требуется рассчитать параметры термоупрочнения грунта на глубину Н = 10 м в виде термогрунтовых цилиндров радиусом Гр = 0,5 м по внешнему контуру Т^ = 600℃. По опытам Gnp = 0,345; W = 0,12; То = Ю00℃; , = 80℃; Со = 0,84 КДж/(кг-оС); Ко = 0,0005 КДж/(кг «С2); ар 二
=0,157 м3 /ч; Риз == 0,2 МПа; г0 = ОД м; %长二 1473 кг/м3 ； Сп = 2257 КДж/кг.
В соответствии с (3.9) определяем длительность процесса
48 ч. Затем по (3.11) вычисляем48 ч. Затем по (3.11) вычисляем丁 _ 3,1410 (0,52 - 0j2[ 0,157
48 ч. Затем по (3.11) вычисляем
48 ч. Затем по (3.11) вычисляем
показатель степени термограммы К = (1 + 4-0,345) (0,5 — —1,21-0,2 一 0,001 г) = 0,5. После этого согласно (3.13) нахо- 口им Сск 二 0,84 + 0,0005. ^?^^^ КДж/(кгх ЕС). Тогда средняя температура нагревания минерального ске-
2-1000 + 0,5Х貫(0,5 + 3)-80лета грунта в соответствии с (3.15а) составит Т =СР 2 + 0,5Л<(0,5 + 3)2-1000 + 0,5Х貫(0,5 + 3)-80лета грунта в соответствии с (3.15а) составит Т =СР 2 + 0,5Л<(0,5 + 3)= 570℃. Коэффициент полезного= 570℃. Коэффициент полезногодействия по (3.10) с учетом2действия по (3.10) с учетом2(3.6) определится в виде(3.6) определится в видекпдкпд”/К—т1/КТ1/К_т1/К0 丄к”/К—т1/КТ1/К_т1/К0 丄к
2-1000 + 0,5Х貫(0,5 + 3)-80
лета грунта в соответствии с (3.15а) составит Т =
СР 2 + 0,5Л
<(0,5 + 3)
2-1000 + 0,5Х貫(0,5 + 3)-80
лета грунта в соответствии с (3.15а) составит Т =
СР 2 + 0,5Л
<(0,5 + 3)
= 570℃. Коэффициент полезного
= 570℃. Коэффициент полезного
действия по (3.10) с учетом
2
действия по (3.10) с учетом
2
(3.6) определится в виде
(3.6) определится в виде
кпд
кпд
”/К—т1/К
Т1/К_т1/К
0 丄к
”/К—т1/К
Т1/К_т1/К
0 丄к
10002100021000210002При этих условиях удельныйПри этих условиях удельный6002 \2
10002
10002
10002
10002
При этих условиях удельный
При этих условиях удельный
——]=0,415.
802 /
расход тепловой энергии по (3.15а) составит
Qy.p = 147 3(1,12-57 0 + 2257-0,12)/0,415 = 3227-Ю3 КДж/м3.
Пример 2. Произвести аналогичные расчеты при у слов Тр = 400°С, Риз =0,02; 7= 56 ч; ар = 0,3 м3/ч.
странениястраненияПо (3.11) находим К = (1 + 4 0,345) (0,5 — 1,21-0,02 — —0,001-56) = 1. В соответствии с (3.13) определяем С* = 二 1,03 КДж/(кг-оС), а по (3.15а) Тср = 387℃. Радиус распро
странения
странения
ГРГРтемпературы Тр = 400℃ определяем из (1.5)
ГР
ГР
"К + 035^^1? = 0,74 м. К“д = 0,425. Qy.p
=1473(1,03-387+2257-0,12)/0,425 = 2320-Ю2 КДж/м3.
ГЛАВА 4.ГЛАВА 4.НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ТЕРМОГРУНТОВЫХ МАССИВОВ И КОНСТРУКЦИЙ
ГЛАВА 4.
ГЛАВА 4.
Изменение прочностных и деформационных свойств грунтов в термообработанных массивах
В результате термического упрочнения связных грунтов в массиве создается характерное только для этого метода искусственного преобразования природных свойств грунтов своеобразное термогрунтовое тело. Его отличительной особенностью является неравноп- рочность материала, изменение прочностных и дефор- мативных свойств в зависимости от величины, продолжительности и скорости действия температуры. Данное обстоятельство открывает объективную возможность управления несущей способностью термогрунтовых образований путем изменения технологических параметров процесса, формы, размеров и пространственной ориентации в зависимости от величины и характера внешних нагрузок, степени однородности и природных свойств слагающих массивы грунтов.
Несущая способность и устойчивость термогрунто- вых образований определяется прочностью связей между частицами и их агрегатами, изменением минералогического состава и химических свойств новообразований, повышенными силами внутреннего трения и сцепления термически упрочненных объемов грунта с исходной материнской породой.
Как было показано в гл. 1, прочностные характеристики термообработанных в массивах грунтов прежде всего определяют величиной температуры нагревания при заданной скорости подъема температур и длительности ее действия. Экспериментально удалось установить, что в первом приближении изменение прочностных характеристик, таких, как временные сопротивления сжатию и силе сдвига, можно описать кривой параболического типа, аналогичной (3.6), в виде
ф = Ф(1-г/гск)м,(4.1)
где Фо -- прочностная характеристика грунта, обработанного при температуре То в заданном режиме; М - показатель степени.
Совместно рассматривая (4.1) с (3.6), можно получить зависимость прочностных характеристик тер-
моупрочненных грунтов от величины температуры, а
именно
(4.2)(4.2)радиальном от свойства термо-радиальном от свойства термо-Ф = ф1/м.(т/То)1/я
(4.2)
(4.2)
радиальном от свойства термо-
радиальном от свойства термо-
Анализ (4.2) показывает, что в скважины направлении прочностные
упрочненного грунта уменьшаются по мере снижения температуры нагревания грунта. В то же время пло
щадь поверхности термогрунтового тела по внешнему
ДанноеДанноеобстоятельствообстоятельствоконтуру непрерывно возрастает.
Данное
Данное
обстоятельство
обстоятельство
приводит к беспрецедентному в инженерно-строительной практике положению, когда термогрунтовые сваи
трения имеют непрерывно изменяющуюся по радиусу несущую способность на сдвиг по внешнему контуру. В стенке скважины (условно по ее оси) силы сдвига максимальны, так как здесь наибольшая величина темпе
ратуры обработки, но площадь внешней поверхности сведена к нулю. По мере увеличения радиуса темпера
свойствасвойствапрочностныепрочностныетура обработки, а следовательно,
свойства
свойства
прочностные
прочностные
на сдвиг, уменьшаются, в то время как площадь поверхности внешнего контура увеличивается. Поэтому
боковой начинаябоковой начинаянесущая способность термогрунтовых свай по поверхности вначале также возрастает. Затем,
боковой начиная
боковой начиная
с некоторого вполне определенного расстояния от сква
жины, интенсивного грунта превышает прирост поверхности внешнего контура и несущая способность термогрунтовой сваи трения начинает уменьшаться. Характер этой зависимости можно выявить следующим образом. Силы сдвига по внешней поверхности термогрунтовой сваи в соответствии с (4.1), на высоту однородного слоя грунта по высоте ствола Нс，выражаются соотношением
(4.3(4.3Рс = 2кг Нс①式1-г/Гск)" •
(4.3
(4.3
Исследуем (4.3) на экстремум:
—工=2яНс ①。(1—
гск
Полагая dPc/dr = 0, находим г = r^/fl-1-M), что соответствует максимуму величины Рс，После подстанов-
60、
ки в (4.3) выражения г = гск/(1+М) получаем формулу для оценки максимально возможной несущей способности такой сваи трения
P&max=27r"c °и гск ―^P&max=27r"c °и гск ―^мМмМ(4.4)(4.4)
P&max=27r"c °и гск ―^
P&max=27r"c °и гск ―^
мМ
мМ
(4.4)
(4.4)
Графики зависимости величины Pc/Pcjnax от отношения г/гск показывают (рис. 4.1) экстремальный характер этой связи.
Анализ (4.4) дает возможность выявить характер работы таких термогрунтовых опор, несущая способность которых зависит от расстояния от оси скважины расчетного сечения. Так как продавливание сваи при действии внешней нагрузки может произойти по наиболее слабому сечению, то вопрос о конструировании узлов передачи нагрузок на ствол принимает важное значение и требует дальнейшего исследования.
Приемы расчета термогрунтовых массивов на действие сосредоточенных сил и грунта
В современном промышленном строительстве действие сосредоточенных сил на основания фундаментов является определяющим. В этом смысле даже приближенная оценка несущей способности термогрунтовых массивов на такие силовые воздействия весьма актуальна.
В первом приближении расчет термогрунтового массива на действие сосредоточенной нагрузки Рв можно представить по схеме загрузки полупространства (рис. 4.2), полагая при этом изменение модуля общей деформации термоупрочненного грунта Е по закону изменения напряжения G и, следовательно, постоянство относительной деформации G/E, а также линейную деформируемость термоупрочненного грунта и закон изменения напряжений в виде
G = 3PbFx-^osxp/^tR2X,(4.5)
где X -- опытный коэффициент (для значения Х-1 имеет место решение Буссинеска); F -- ширина фундаментной подушки, м.
Если сделать предположение, что уменьшение объема термогрунтового тела формируется только за счет
Рис. 4.1. Изменение несущей способности термогрунтовых свай трения по боковой поверхности в зависимости от кривизны термограмм
его деформации под нагрузкой, что было предложено проф. Н.В. Лалетиным，и что оно равно объему упрочненного грунта, вытесненного под подушкой фундамента на единицу ее длины, то эта связь описывается равенством
SB = JdpjG/ERdR,(4.6)
0。
где В - ширина фундамеитиой подушки, м.
Дейене 爲然黑黑黑“Уомах массивов на
Интегрируя (4.6) вначале по R, а затем по р, после подстановки величины R из (4.5), найдем искомую зависимость осадки S фундаментной подушки на термоупрочненном массиве грунта
G К/ 3耳…ЕВ8 “(1 + 2^6。G К/ 3耳…ЕВ8 “(1 + 2^6。(4.7)(4.7)
G К/ 3耳…
ЕВ8 “(1 + 2^6。
G К/ 3耳…
ЕВ8 “(1 + 2^6。
(4.7)
(4.7)
где 戸-коэффициент бокового давления грунта; GQ -- напряжение на внешнем контуре термогрунтового массива, величину которого можно допустить.
Его удобно выразить в доле от бытового давления в виде
G。= MyR。， (4.8)
где М = 0,1 - 0,2 - доля напряжений от бытового давления; 7 ” объемная масса термоупрочиениого грунта, т/м'; R。— заглубление термогрунтового массива, м.
Величину заглубления термогрунтового массива, следовательно, исходя из соотношений, выраженных (4.7) и (4.8), в этом случае удается оценить зависимостью
_ 2Х+/ 3 F*T 鸟—_ 2Х+/ 3 F*T 鸟—(4。9)(4。9)
_ 2Х+/ 3 F*T 鸟—
_ 2Х+/ 3 F*T 鸟—
(4。9)
(4。9)
Отметим, что статистической обработкой опытных данных величина 义 определилась в пределах 1,86 2,21, а для электротермических способов достигла 4,1. Анализ (4.9) показывает, во-первых, что эффективность использования термогрунтового материала в упрочненных массивах возрастает с увеличением действующей на них нагрузки Рв и коэффициента бокового давления, f , и, во-вторых, как следствие, что термогрунтовые массивы тем эффективнее, чем больше величина передаваемой на них нагрузки. В этом смысле они могут быть рекомендованы для усиления оснований и фундаментов при реконструкции действующих предприятий, когда нагрузки на них по каким-то причинам возрастают.
С учетом опытных данных из (4.9) величина сосредоточенной силы Рв, допускаемой на термогрунтовой массив, будет выражена зависимостью
『К。'
27r (1 +2?) М?
3尸
(4.Ю)
где Pr — вертикальная нагрузка на термогрунтовой массив, тс.
Результаты экспериментальных натурных испыта- ни宓 несущей способности термогрунтовых массивов, выполненных в грунтах с условными лабораторными N 1, 2, 3, и их сравнительный анализ с расчетными показателями согласуются табл. 4.1 с принятой схемой расчета.
Таблица 4.1
Показатель
Сосредоточенная нагрузка на массив % тс
100
1 400
1000
Заглубление термогрунтового
3
4
4,7
массива в грунт м
Осадка, м:
расчетная по (4.7)
0,12
0,80
3,07
фактическая
0,28
1,60
2,54
Несущая способность тсрмогрун-
гового массива, тс：
на 1 м3 yjjpo4HeHHOi'o грунта
8,11
14,32
19,11
"1 м заглубления массива
30
120
192
В табл. 4.1 приведены усредненные характеристики несущей способности термогрунтовых образований из 59 испытаний, в том числе для грунтов (по табл. 3.1): № 1-26, № 2-24, №3・9.
Сложнее даже в приближенном виде выяснить несущую способность термогрунтовых свай и массивов в просадочных грунтах в условиях их частичного и полного замачивания. В теоретическом плане таких исследований пока нет. В таких грунтах форма и размеры упрочненных объемов грунта зависят от мощности и характера просадочных свойств массива. Условие равновесия системы заключается в том, чтобы суммарная эпюра напряжений от собственной массы грунта и дополнительной нагрузки от зданий не превышала начального давления просадочности грунта, а суммарная осадка соответственно была не более допустимой для данного типа зданий. В первом приближении для термогрунтовых опор-стоек можно величину дополнитель- H°ii нагрузки от окружающей ее грунтовой среды при
замачивании включать в состав нагрузки, действующей на опору. Однако величина этой дополнительной нагрузки теоретически не установлена и в каждом конкретном случае приходится проводить опыты по устройству термогрунтовых образований и испытанию их при замачивании грунтов. Вторым направлением является термическое укрепление окружающего опоры грунта до температуры, исключающей развитие таких силовых воздействий со стороны замачиваемого грун* та. При этом объем работы существенно возрастает, а термогрунтовые сваи приходится заглублять на всю просадочную толщу.
В просадочных грунтах увеличение сил трения и сцепления по внешнему контуру упрочненных масси* вов грунта играет отрицательную роль и требуется изучение возможности снижения их как в процессе, так и после термоупрочнения грунта. Наши исследования показали, что в периферийных объемах грунта вокруг скважин, в которых температура нагревания находится в интервале 100 - 200℃, может быть образован слой с силами трения и сцепления, меньшими природных. Для этого достаточно после нагревания грунта в данный слой ввести охладитель в виде воздуха или воды, а сам процесс охлаждения вести со скоростью 200 - 300℃/ч. При таком режиме обработки грунта вокруг несущей термогрунтовой конструкции создается ослабленный слой, который компенсирует действие внешней среды при ее замачивании.
Для термогрунтовых опор, опирающихся на практически несжимаемые основания, несущая способность определяется выражением
(4Л)(4Л)Р = KiMFpGcp,
(4Л)
(4Л)
где К] = 1, коэффициент условий работы； К? н 0,7 —0,85 — коэффициент однородности термогрунтового материала в расчетном объеме опоры; Fp - расчетная площадь поперечного сечения термогрунтовой опоры； м2; GCp - величина среднеинтегрального со!ц)отив- ления сжатию расчетного сечения термогрунтовой опоры, tc/mz.
В результате интегрирования зависимости (4.1) и подстановки пределов выражение для Gcp получено в
виде
Gp =-Gp =-(4.12)(4.12)2 Go +М (М+З) Gp2+М(М+3)
Gp =-
Gp =-
(4.12)
(4.12)
772—5
где Gq -- значение временного сопротивления сжатию по оси опоры, условно принимаемое в запас равным сопротивлению сжатия тер- моупрочненного грунта в стенке скважины, тс/м^； G^ -- значение временного сопротивления сжатию термогрунтового материала по внешнему контуру расчетного сечения опоры, тс/м，
Величина Р в (4.11) включает всю совокупность действующих на термогрунтовую опору нагрузок, включая массовые силы окружающего грунта при его замачивании. Характеристики изменения величины Gcp в зависимости от М и отношения Gp/Go учитываются в расчетах (табл. 4.2). Показатели таблицы следует умножить на Gp.
Таблица 4.2
-7-7OOIOOI533170 8 1 3 96丄丄гТ Lh 1533170 8 1 3 96丄丄гТ Lh 16 7 7 4 3 566185 4^ _тл ?^ 7^ 1Ь L6 7 7 4 3 566185 4^ _тл ?^ 7^ 1Ь L26203 ^V? 4 з2 L26203 ^V? 4 з2 LII一 8一 8-9-973 3 3 76 5 3 2 1173 3 3 76 5 3 2 112 6 7 6 3 04 0 6 4 3 2 ?_ <"Ч 1 1* и 1*2 6 7 6 3 04 0 6 4 3 2 ?_ <"Ч 1 1* и 1*1360695 3ГТГ2 2 1 1^ 11360695 3ГТГ2 2 1 1^ 16 3 3 0 69 73 6 17с^ 4^Э1^ э^ 2 16 3 3 0 69 73 6 17с^ 4^Э1^ э^ 2 18 7 7 3 3 626838V?工厶18 7 7 3 3 626838V?工厶12 0 64 冷 u-s7^ 5 4 X э- 12 0 64 冷 u-s7^ 5 4 X э- 1
-7
-7
OOI
OOI
533170 8 1 3 96
丄丄гТ Lh 1
533170 8 1 3 96
丄丄гТ Lh 1
6 7 7 4 3 566185 4^ _тл ?^ 7^ 1Ь L
6 7 7 4 3 566185 4^ _тл ?^ 7^ 1Ь L
26203 ^
V? 4 з2 L
26203 ^
V? 4 з2 L
I
I
一 8
一 8
-9
-9
73 3 3 7
6 5 3 2 11
73 3 3 7
6 5 3 2 11
2 6 7 6 3 0
4 0 6 4 3 2 ?_ <"Ч 1 1* и 1*
2 6 7 6 3 0
4 0 6 4 3 2 ?_ <"Ч 1 1* и 1*
1360695 3
ГТГ2 2 1 1^ 1
1360695 3
ГТГ2 2 1 1^ 1
6 3 3 0 6
9 73 6 17
с^ 4^Э1^ э^ 2 1
6 3 3 0 6
9 73 6 17
с^ 4^Э1^ э^ 2 1
8 7 7 3 3 626838
V?工厶1
8 7 7 3 3 626838
V?工厶1
2 0 6
4 冷 u-s
7^ 5 4 X э- 1
2 0 6
4 冷 u-s
7^ 5 4 X э- 1
Показатели эти дают основание для вывода о том, что для термогрунтовых опор, подстилаемых практически несжимаемыми основаниями, основное значение имеет характер термограмм, показатель которых существенно влияет на несущую способность опор.
Для термогрунтовых опор осадка S оценивается следующими приближенными связями. Так как нагрузка на такие опоры передается через жесткие распределительные подушки, то величина осадки будет равной для всех точек поперечного сечения опоры, т.е. S = P(H/Fp)Ecp.(4-13)
где Еср - ср学нее значение модуля деформации термоупрочнеи- ного грунта, тс/м^. Оно вычисляется по формуле, аналогичной (4.12) с соответствующими показателями деформируемости Ео и Ер по оси опоры и на ее внешнем контуре.
После подстановки в (4.13) значения величины Р из (4.11) получим
S=K"" 一行評pS=K"" 一行評p(4,14)(4,14)
S=K"" 一行評p
S=K"" 一行評p
(4,14)
(4,14)
Действие грунтовой среды на термогрунтовые конструкции проявляется в обделках и подпорных стенах. Приближенный расчет термогрунтовых обделок вертикальных выработок можно выполнить, используя большой опыт проектирования ледопородных ограждений при искусственном замораживании грунтов и учитывая некоторые особенности термогрунтовых образований. С учетом этого расчетная толщина термогрунтовой обделки А, образованной смыканием смежных термогрунтовых цилиндров, определится из выражения
где GH -- нормальная составляющая природного давления, тс/м^ ； 「пр -- радиус вертикальной шахты в проходке, м.
В этом случае радиус термоупрочнения грунта в термогрунтовых цилиндрах гр вокруг нагревательных скважин, размещенных на расстоянии Нс одна от другой, определяются нз соотношения
Гр = Ki К2К3 У(А/2)Ч(н72+(Го1НЛ (4.16)
где Kg - опытный коэффициент, учитывающий интерференцию тем пературны к полей при смыкании смежных термогрунтовых цилиндров (К3 = 0,8 - 0,9).
В (4.16) величина 0,01Н вводится для учета возможных отклонений нагревательных скважин в процессе их бурения.
Термогрунтовые стены отличает ряд особенностей, выгодно характеризующих по их сравнению со стенками, выполненными из традиционных материалов. Термогрунтовые стены можно выполнять с эффективным профилем, например с наклоном задней грани в сторону призмы обрушения грунта и с постепенным уширением сечения по направлению к подошве стены. Для термогрунтовых стен характерно и то, что боковое давление на них снижается на расстоянии, где грунт нагревался до температур выше 300℃. Кроме этого, термогрунтовые стены выполняются без нарушения естественной структуры грунта, чем также существенно увеличивается их несущая способность и устойчивость.
Если задняя грань термогрунтовой стены наклонена в сторону призмы обрушения под углом ^, то величина высоты стены Ни, свободной от давления со стороны призмы обрушения, определится по известной в механике грунтов формуле
2 С
Hr =
COS夕
7£ (45° 9/2) с。』[45。-2/)/2]
(4.17)
где 屮一угол внутреннего трения щтрочненного грунта; ление термоупрочненного грунта, тс/м .
Формулу (4.17) удобно выразить в виде
С - сцеп-
соотно
шения
2С72С7一一99-5 0 5 0 5 0 5-1223344-5 0 5 0 5 0 5-12233445915795 о 工>工工345915795 о 工>工工348 1 5 8「上5 8 15 8 501^4^4^3591523 工 з4 513 7 9 1工工3 3 4 58 1 5 8「上5 8 15 8 501^4^4^3591523 工 з4 513 7 9 1工工3 3 4 55 8 2 6 14 5 5 65 8 2 6 14 5 5 62 6 $--с^ -X 6 62 6 $--с^ -X 6 67&7&
2С
7
2С
7
一
一
9
9
-5 0 5 0 5 0 5
-1223344
-5 0 5 0 5 0 5
-1223344
5915795 о 工>工工34
5915795 о 工>工工34
8 1 5 8「上
5 8 15 8 5
01^4^4^
359152
3 工 з4 5
13 7 9 1
工工3 3 4 5
8 1 5 8「上
5 8 15 8 5
01^4^4^
359152
3 工 з4 5
13 7 9 1
工工3 3 4 5
5 8 2 6 1
4 5 5 6
5 8 2 6 1
4 5 5 6
2 6 $
--с^ -X 6 6
2 6 $
--с^ -X 6 6
7&
7&
(4.18)
где второй сомножитель характеризует высоту стенки без крепления при условии ее вертикальности (/=0) для идеально связного грунта (0= 0),а величина Кп показывает увеличение размеров стенки за счет увеличения значений угла внутреннего трения в термоунроч- ненном грунте и наклона стенки. Значения коэффициента Кп приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3
Обобщение результатов непосредственных испытаний термогрунтовых подпорных стен, обделок вертикальных шахт, опор показало, что приведенные зависимости могут быть использованы при проектировании таких конструкций с введением в некоторых случаях соответствующих поправочных коэффициентов.
, Результаты испытаний термогрунтовых конструкций
Метод термического упрочнения грунтов с целью образования конструктивных элементов и сооружений в связных грунтах относительно новый. Поэтому в ма-
ло изученных грунтовых регионах и при возведении ответственных инженерных сооружений и зданий рекомендуется проводить пробные испытания предварительно выполненных термогрунтовых конструкций с использованием реально имеющихся оборудования и средств контроля процессов упрочнения грунтов. Принятие решения о применении метода термического упрочнения грунтов должно быть основано на результатах инженерно-геологических изысканий строительных площадок, тщательность и детальность проведения которых возрастают с увеличением степени неоднородности напластования поверхностных отложений. Исходя из этих предпосылок были проведены комплексные испытания термогрунтовых конструкций в четырех разновидностях связных грунтов, условные лабораторные номера (по табл. 3.1) № 1, 2, 3, 4. Результаты исследований показали следующее.
Термогрунтовые сваи были выполнены термическим упрочнением грунтов через буровые скважины диаметром 0,15 -- 0,2 м, глубиной 5 м в количестве 126 шт. Источником тепловой энергии служили жидкое, газообразное топлива и электрическая энергия. При генерации нагретых газов внутри скважин температура стенок поддерживалась 900-950℃. Использование погружных электронагревателей позволило повысить температуру до 1200 -- 1800℃ и довести грунты до спекания и размягчения. Для выявления доли несущей способности термогрунтовых свай раздельно за счет сил трения и сцепления по боковой поверхности и за счет реакции грунта по подошве последнюю обнажали вскрытием грунта через специально выполненные для этой цели подходные штольни. Сваи испытывали пробными статическими нагрузками с помощью стандартных наземных загрузочных штампов и посредством выдергивания снизу гидравлическими домкратами, установленными в подходных штольнях под подошвами свай. Замачивание грунтов вокруг таких свай осуществляли через котлованы в соответствии с действующими нормативами. Механическая прочность термогрунтовых образований определялась, как показано в гл. 1, комплексно разрушающими и неразрушающими методами, а также испытанием образцов, отобранных из упрочненных массивов грунта, в лабораторных установках. Из 126 свай 32 были выполнены глубиной, точнее высотой меньше 5 м, таким образом.
что в чистоте их расчетный размер по высоте составлял 2 и 3 м, а термогрунтовых свай, образованных через скважины глубиной 5 м, соответственно 4 и 5 м.
Результаты испытаний, приведенные к величинам суммарных сил трения и сцепления по внешнему контуру термогрунтовых свай трения (табл. 4.4), где даны наименьшие из всех опытных значений данные, выраженные в 102 МПа, могут быть рекомендованы для расчетов.
Таблица 4.4
Условный лабораторный № грунта, (по табл. 3.1)
Число опытных свай
Суммарные силы трення и сцепления по боковой Поверхности свай в природном состоянии и после замачивания грунтов вокруг скважин при глубине свай,м
без замачивания
после замачивания
3 1
4-5
2-3
1
1
17
23,3
31,4
—
9
—
—
11,9
15,8
2
17
29,7
37,1
—
—
6
—
—
14,3
17,7
3
15
42,0
43,6
—
9
—
，—
12,8
18,3
4
16
47,6
52,1
—
—
8
—
—
10,8
13,7
Из табл. 4.4 следует, что суммарные силы трения и сцепления по внешнему контуру термогрунтовых свай, усредненные по их высоте, составляют 0,23 -- 0,51 МПа в грунтах естественной влажности и 0,11 -- 0,18 МПа при их замачивании. Без учета реакции грунта по опорной подошве несущая способность термогрунтовых свай составила соответственно в условиях естественной влажности и при замачивании 64 -- 96 и 13,8- 20,7 тс/м. С некоторым запасом несущую способность термогрунтовых висячих свай удалось выразить приближенной зависимостью
Рве = KbcDH,(4.19)
где D - диаметр термогрунтовой сван, м; Н - высота термогрунтовой сваи расчетная, м; Квс — опытный коэффициент, характеризующий несущую способность термогрунтовой сваи трения, имеющей диаметр 1 м и высоту 1 м, тс/м.
Зависимость (4.19) может быть выражена также в виде
Рве = “DHGcb， (4-20)
где Кус - коэффициент условий термоупрочнения грунтов; GCB - усредненное значение суммарных сил трения и сцепления по боковой поверхности термогрунтовой сван, tc/mz.
Эти зависимости относятся к испытаниям свай, образованных путем обжига и плавления грунтов вокруг стволов нагревательных скважин. Совершенно другие показатели несущей способности характеризуют сваи, образованные заплавлением стволов грунтовыми смесями в незагерметизировнных скважинах. В этом случае термогрунтовые сваи выдерживают нагрузки в 5-- 20 раз меньше, что было выявлено в процессе испытаний на полигоне в г. Грозном ГПИ Фундаментпроект и отмечено в п. 3.1 гл.З. Такое положение объясняется переориентацией частиц глинистых минералов по направлению теплового потока, который в этом случае направлен снизу вверх от забоя к устью ствола скважин.
Показатели проведенных испытаний дают основания рекомендовать термогрунтовые сваи в качестве коротких, что имеет существенное значение для мало- нагруженных фундаментов, в частности в интересах сельскохозяйственного строительства.
Результаты испытаний термогрунтовых свай (табл. 4.5) выявили необходимость учитывать, что наиболее устойчивым коэффициентом, является величина К = 0,22 — 0,37 для испытаний без замачивания и 0,28 — 0,36 — при замачивании грунтов. Величина Ксв соответственно изменяется в пределах 28 -- 34 и 10 -- 17 тс/м2. Определение несущей способности термогрунтовых свай соответствует их перемещению под действием пробной статической нагрузки 5+0,5 см.
д 8 4 7&2 3 4 4д 8 4 7&2 3 4 48 3 742 3 3 38 3 742 3 3 372 8 23 3 2 272 8 23 3 2 23 8 122a L3 8 122a L4 73 04 73 06 4 6 83 3 2 26 4 6 83 3 2 2
д 8 4 7
&
2 3 4 4
д 8 4 7
&
2 3 4 4
8 3 74
2 3 3 3
8 3 74
2 3 3 3
72 8 2
3 3 2 2
72 8 2
3 3 2 2
3 8 12
2a L
3 8 12
2a L
4 73 0
4 73 0
6 4 6 8
3 3 2 2
6 4 6 8
3 3 2 2
Таблица 4.5
№
грунта
Без предварительного замачивания грунтов*
После замачивания грунтов вокруг свай трения*
Gcb，тс/м21KBс，тс/м2 1 Кус
Gm，тс/м21KBс，тс/м2
1%_
Примечание. В табл. 4.5 данные испытаний усреднены.
Полевые испытания термогрунтовых подпорных стен были выполнены в ВИА им. В.В. Куйбышева и позднее продолжены в нескольких регионах, в том числе в Запорожье и Ворошиловграде сотрудниками НИИСК Госстроя СССР. Испытания в ВИА им. В.В. Куйбышева проводились следующим образом.
Цель испытаний -- проверка устойчивости вертикальных откосов и подпорных стен из термоупрочненных грунтов. Скважины диаметром 0,2 м глубиной до 7 м в каждом из исследованных грунтов (условные лабораторные № 1, 2, 3, 4) проходились на четырех участках. На первом изучали характеристики устойчивости вертикального откоса без крепления, форму и размеры призм обрушения грунтов до начала их термического упрочнения. Для этого в предварительно увлажненном через скважины массиве грунта прорезали экскаватором траншею, последовательно ее углубляли и контрол и ров ал и высоту, при которой нарушалась вертикальность откоса, а затем и устойчивость его в целом. На втором участке выявленную призму обрушения укрепляли сплошным термическим упрочнением сползающего грунта. Такие работы со сплошным упрочнением всей призмы были выполнены только на одном из грунтов, так как такой способ упрочнения дает значительные запасы устойчивости. На третьих участках откосы укреплялись двумя параллельными рядами термогрунтовых свай, причем диаметр и расстояние между ними варьировались таким образом, чтобы можно было достигнуть предельного состояния устойчивости за счет увеличения нагрузки от дополни- тельной грунтовой подсыпки на призме обрушения откоса. На четвертых участках возводили термогрунтовые подпорные стенки однорядным размещением нагревательных скважин со смыканием смежных термогрунтовых цилиндров на расчетную толщину.
Устойчивость термоупрочненных откосов и подпорных стен проверяли постепенным обнажением неуп- рочненного грунта с одной стороны по всей исследуемой высоте. Инструментально-визуальные наблюдения за устойчивостью откосов и подпорных стен вели в течение 10 -- 16 мес непрерывно. После этого высота удерживаемого откоса увеличивалась путем послойной засыпки грунта до предельной, вызывающей нарушение устойчивости откоса и его частичное или полное обрушение.
Испытания показали, что обрушение неупрочнен-
ных грунтов произошло по цилиндрическим поверхностям, причем размеры призм обрушения поверху составляли 0,78 -- 0,9 высоты откосов. В результате термического упрочнения грунтов однорядным размещением н аг ре в ател ьн ы х скважин высота устойчивых без крепления откосов увеличилась с 1,7 -- 3,6 м до 7,7 -- 9,4 м, т.е. в 2,4 -- 4,7 раз. При этом было выявлено, что увеличение сил внутреннего трения и сцепления в грунтах, слагающих призму обрушения откосов, начиналось с температуры обработки, равной 300℃. Поэтому расчетные размеры принимали по контуру этой температуры. Показатели результатов испытаний этих откосов (табл. 4.6) подтверждают эффективность применения метода для таких целей.
Так как термоупрочненные до 600℃ и ниже связные грунты подвержены сезонному выветриванию, то наружные грани обнаженных термогрунтовых подпорных стен выравнивали по контуру грунта, обработанного при такой температуре, и на поверхность наносилась торкретная штукатурка по металлической сетке, пристрелянной к упрочненному грунту. Такой способ подготовки поверхностей наружных граней термогрунтовых подпорных стен обеспечил их полную устойчивость против атмосферных воздействий на весь период испытаний.
Следует отметить, что устойчивость термогрунтовых подпорных стенок в суглинке откосов котлованов при строительстве трубопрокатного завода в Ворошиловграде была достигнута благодаря увеличению угла внутреннего трения до 30° и сопротивления сдвигу до 0,1-1,5 МПа.
Таблица 4.6
Характеристика исходных грунтов, слагающих откосы
Высота коса Нг
вертикального без крепления от- 1，м
Суглинок:
ДО укр
расчетная высота
етш ения
фактическая высота
После укрепле
расчетная
НИЯ
фактическая
покровный пылеватый
3,1
2,2
6,8
9 5*
моренный однородный
3,0
3,6
7,4
8,5
покровный просадочный
2,1
1,7
6,1
8,0
лессовидный макропо-1,92,4
ристый
Примечание. * - с точностью до 0,5 м.
5,6
7,5
. Примеры расчета термогрунтовых массивов и конструкций
Пример 1. Требуется определить заглубление термогрунтового массива под вертикальную нагрузку Р^ = 1000 тс в грунте с объемной массой 7 = 1,8 тс/м3, средним модулем продольной деформации Ес^ = 1200 МПа, коэффициентом бокового давления W 二 0,7. Нагрузка передается через распределительную подушку площадью F = 2 м2. Допускаемая доля напряжений на внешнем контуре М = 0,2 от природного.
В соответствии с (4.10) находим РоВ соответствии с (4.10) находим Ро5/ 3-210005/ 3-210002-3,14(1 ++ 2-0,7)0,2-1,82-3,14(1 ++ 2-0,7)0,2-1,8=4 м.Пример 2. По данным примера 1 рассчитать термогрунтовую опору на несжимаемом горизонте при К? 二 0,8； Go 二 =21 МПа, Gp = 8 МПа: М = 1.По (4.12) определяем величину среднего значения времен-=4 м.Пример 2. По данным примера 1 рассчитать термогрунтовую опору на несжимаемом горизонте при К? 二 0,8； Go 二 =21 МПа, Gp = 8 МПа: М = 1.По (4.12) определяем величину среднего значения времен-ного сопротивления сжатиюного сопротивления сжатию%%1000 + 2-8_ 12 зз3，1000 + 2-8_ 12 зз3，материала термогрунтовой сваи МПа = 1233 тс/м2. На основанииматериала термогрунтовой сваи МПа = 1233 тс/м2. На основаниирасчетную площадь опоры Fp = 1000/1 0,8*1233 = 1 м2. Осадку опоры определяем по (4.13)расчетную площадь опоры Fp = 1000/1 0,8*1233 = 1 м2. Осадку опоры определяем по (4.13)(4.11)(4.11)находим требуемуюнаходим требуемуюS = 1000-4/1 120 000 = 0,033 м.Пример 3. Рассчитать обделку шахтногоS = 1000-4/1 120 000 = 0,033 м.Пример 3. Рассчитать обделку шахтногоН = 20 м и радиусом проходки【口卩Н = 20 м и радиусом проходки【口卩3 м по3 м поствола глубиной условиям преды-ствола глубиной условиям преды-
В соответствии с (4.10) находим Ро
В соответствии с (4.10) находим Ро
5/ 3-21000
5/ 3-21000
2-3,14(1 +
+ 2-0,7)0,2-1,8
2-3,14(1 +
+ 2-0,7)0,2-1,8
=4 м.
Пример 2. По данным примера 1 рассчитать термогрунтовую опору на несжимаемом горизонте при К? 二 0,8； Go 二 =21 МПа, Gp = 8 МПа: М = 1.
По (4.12) определяем величину среднего значения времен-
=4 м.
Пример 2. По данным примера 1 рассчитать термогрунтовую опору на несжимаемом горизонте при К? 二 0,8； Go 二 =21 МПа, Gp = 8 МПа: М = 1.
По (4.12) определяем величину среднего значения времен-
ного сопротивления сжатию
ного сопротивления сжатию
%
%
1000 + 2-8_ 12 зз
3，
1000 + 2-8_ 12 зз
3，
материала термогрунтовой сваи МПа = 1233 тс/м2. На основании
материала термогрунтовой сваи МПа = 1233 тс/м2. На основании
расчетную площадь опоры Fp = 1000/1 0,8*1233 = 1 м2. Осадку опоры определяем по (4.13)
расчетную площадь опоры Fp = 1000/1 0,8*1233 = 1 м2. Осадку опоры определяем по (4.13)
(4.11)
(4.11)
находим требуемую
находим требуемую
S = 1000-4/1 120 000 = 0,033 м.
Пример 3. Рассчитать обделку шахтного
S = 1000-4/1 120 000 = 0,033 м.
Пример 3. Рассчитать обделку шахтного
Н = 20 м и радиусом проходки【口卩
Н = 20 м и радиусом проходки【口卩
3 м по
3 м по
ствола глубиной условиям преды-
ствола глубиной условиям преды-
давления GHдавления GHдущих примеров.
давления GH
давления GH
Нормальная составляющая природного
=1,8-20-0,7 = 25,2 тс/м2. Расчетная толщина обделки из (4.15)
/ /1233]
А = 3 ((/ — li = 0,3 м. Длина окружности по кон-
\ у 1233 25,2/
туру шахты равна: 3,14(6 + 0,3)二 19,8 м. Принимаем 20 нагревательных скважин на расстоянии 1 м одна от другой по окружности. Тогда радиус термогрунтового цилиндра по (4.16)、= =1-0,8-0,85(0,3/2)2 + (1/2 + 0.01-20)2 = 0,49 м.
Пример 4. высотой Н = пПо (4.18)=300℃ С = 3=9/3 二 3. ПоПример 4. высотой Н = пПо (4.18)=300℃ С = 3=9/3 二 3. ПоОпределить параметры термогруитовой стенки10 м.•Определить параметры термогруитовой стенки10 м.•находим С,находим С,тс/м2 н 9 二тс/м2 н 9 二=10-1,8/2 二 9 тс/м2. Для Тр 二=10-1,8/2 二 9 тс/м2. Для Тр 二25。. Следовательно, требуемое Кп25。. Следовательно, требуемое Кппараметров и размеров.параметров и размеров.табл. 4.3 убеждаемся в правильности принятыхтабл. 4.3 убеждаемся в правильности принятых
Пример 4. высотой Н = п
По (4.18)
=300℃ С = 3
=9/3 二 3. По
Пример 4. высотой Н = п
По (4.18)
=300℃ С = 3
=9/3 二 3. По
Определить параметры термогруитовой стенки
10 м.•
Определить параметры термогруитовой стенки
10 м.•
находим С,
находим С,
тс/м2 н 9 二
тс/м2 н 9 二
=10-1,8/2 二 9 тс/м2. Для Тр 二
=10-1,8/2 二 9 тс/м2. Для Тр 二
25。. Следовательно, требуемое Кп
25。. Следовательно, требуемое Кп
параметров и размеров.
параметров и размеров.
табл. 4.3 убеждаемся в правильности принятых
табл. 4.3 убеждаемся в правильности принятых
ГЛАВА 5. I ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ
Основные способы термического упрочнения грунтов
Как показано ранее, целью метода термического упрочнения грунтов является целенаправленное воздействие на грунтовой массив тепловым потоком, параметры которого и технология производства обеспечивают образование термоупрочненных оснований, массивов и конструкций с наперед заданными, прогнозируемыми свойствами и сохранение их на весь эксплуатационный период. Метод может быть также использован в интересах изготовления строительного материала в виде камня, щебня и крупного песка.
В зависимости от задачи термоупрочнения грунта используются соответствующие способы термоупрочнения грунтов, виды генераторов тепловой энергии, режимы и последовательность производственных процессов. Условно все известные способы термического упрочнения грунтов можно разделить на четыре основных вида: 1 -- электротермическое упрочнение обжигом и спеканием грунтов; 2 -- сжигание топливных смесей факельным способом в стволах нагревательных скважин; 3 -- спекание грунтовых смесей в стволах скважин; 4 -- генерация нагретых газов в агрегатах. Принципиальные схемы этих способов проверены на практике (рис. 5.1).
Электротермическое упрочнение грунтов обжигом и спеканием их в заданных температурных режимах осуществляется с генерацией тепловой энергии в погружных нагревателях. Для электрических нагревателей используются термостойкие сплавы типа 0Х- ЗОЮ5А аналогичные им, спирального и стержневого профиля, запитываемые от внешней сети через трансформаторы, например типа ТПО-250/40/ПКУ4. Напряжение и сила тока поддерживаются соответственно 24 — 36 В и 1500 -- 2500 А. Установочная мощность зависит от конструкции нагревателя, глубины скважины и мощности источника питания. При использовании в качестве теплового агента нагретых газов и скважины нагнетается сжатый атмосферный воздух, генерируемый в передвижных или стационарных компрессорных установках, мощность которых и величина избы-
a
15
V
Рис. 5.1. Принципиальная схема основных способов термического упрочнения грунтов
I - электротермический обжиг и спекание грунтон; II — сжигание топливных смесей в скважинах; Ш -- спекание грунтовых смесей в скважинах; IV -- генерация нагретых газов в агрегатах； / _ скважина; 2 -• затвор； 3 -- обожженный грунт; 4 -- расплавленный грунт; 5 - форсунка; 6 - электронагреватель； 7 - трансформатор; S- ьнешняя электрическая сеть； 9 -- компрессор; 10 - емкость для топлива; / / — ресивер; 12 一 бункер для грунтовых смесей; 13 -- агре- гат; 14 - трубопровод; /5 - манометр; 16 -- термопары; /7 - прибор; 18 - гибкое соединение; 19 - вентиль
衣
伍 ，3
/7
斤啰二勿勿勿历
出
勿
9
7/〃/ 〃/ 〃/ 〃/ Ж
Q勿勿
/9
Ю
I
步
近
也
^1
точного давления сжатого воздуха рассчитывается в соответствии с зависимостями, приведенными в предыдущих главах. Температура нагретых газов обычно не превышает 950 -- 1000℃. В качестве нагревателей могут использоваться термографитовые стержни. В этом случае температура внутри скважин достигает 1700-2000℃ и грунт вокруг них, включая грунтовые смеси, которыми стволы скважин заполняются после монтажа в них графитовых нагревателей, расплавляется. Вокруг таких скважин образуются прямые цилиндрические термогрунтовые монолиты, путем смыкания которых создаются термогрунтовые конструкции в виде обделок выработок, подпорных стен, ленточных фундаментов, плиты и т.п. Погружные нагреватели улучшают создание равномерного и управляемого температурного режима внутри нагревательных скважин, процесс поддается автоматизации и дистанционному контролю. К этой схеме могут быть условно отнесены и другие типы погружных нагревателей, преобразующих различные виды энергии, например сверхвысоко-
частотной или лазерной. Несомненным достоинством таких способов термоупрочнения грунтов является высокая культура производственного процесса, широкая область практического применения за счет большого диапазона изменения температур, что позволяет повысить надежность и качество изготовляемых термогрунтовых конструкций в условиях неоднородного напластования грунта или различных включений, так как спекать и плавить удается практически все виды минеральных отложений, не разлагающихся при высоких температурах. Расход мощности на каждый метр нагревательной скважины обычно составляет от 5 до 20 КВт, что нередко вызывает необходимость термоуп- рочнения грунтов не одновременно на всю высоту массива, а по заходкам высотой 4 — 5 м каждая. Некоторым сдерживающим фактором, тормозящим расширение области применения таких способов, служит относительно высокая отпускная цена электроэнергии. Однако опыт последних лет показывает, что по мере возрастания цен на жидкое и газообразное топливо и растущей электрификации стоимость единицы генерируемой тепловой энергии становится сравнимой, все менее завися от вида источника ее генерации.
Наибольшее расп рост ранен ие получили способы термического упрочнения грунтов путем сжигания топливных смесей в полости нагревательных скважин факельными формами с регулированием температуры внутри скважин изменением концентрации топлива, в основном за счет регулирования подачи сжатого воздуха. При этих способах стволы нагревательных скважины герметизируют специальными затворами, на которых монтируют средства сжигания топливных смесей, подачи в скважины воздуха и автоматика контроля процесса. Тип форсунок и горелок зависит от вида сжигаемого топлива. Затворы, как правило, изготавливают из железобетона и металла, иногда создавая в их верхней части полости для циркуляции холодного воздуха, охлаждающего конструкцию и не допускающего ее перегрева. Нагретый воздух поступает затем в ствол скважины. На затворах монтируют также патрубки для визуального контроля процесса и для системы термопар, опускаемых в стволы нагревательных скважин. Длина факела горения топливных смесей и глубина погружения форсунок поддаются расчету. На затворах устанавливаются приборы контроля давления и расхо-
да топлива и воздуха, а также патрубки для монтажа аппаратуры автоматики горения топлива и управления температурой. Недостатком таких способов является то, что форсунки и средства контроля процесса приходится монтировать на каждой из скважин.
Способы заплавления стволов скважин различными грунтовыми смесями имеют то преимущество, что качество материала расплава поддается варьированию в зависимости от требуемых расчетом прочностных и деформационных свойств. При этом добавками могут служить примеси, уменьшающие температуру плавления смесей. Форма полости может быть различной и учитывать параметры внешних нагрузок, в частности путем уширения забоя и создания несущей пяты опор, заглубляемой в непросадочные горизонты.
Самое малое практическое применение нашли способы, основанные на генерации тепловой энергии и нагретых газов в автономных агрегатах, обе л ужи в ающи х одновременно несколько нагревательных скважин. Трудности состоят в отсутствии технических решений тепловой изоляции разводящих воздуховодов и наличии относительно низких температур нагретых газов, не превышающих 600 -- 700℃ внутри агрегатов и около 400 -- 500℃ при входе в стенки нагревательных скважин. При решении этих вопросов этим способам термического упрочнения открывается широкая перспектива.
Кроме приведенных (см. рис. 5.1) способов может быть применена различная их комбинация, позволяющая например вначале осуществлять обжиг грунтов вокруг нагревательных скважин, а затем, после образования термогрунтовых цилиндров заданной формы и размеров, заплавлять стволы грунтовыми смесями. В этом случае в центре термогрунтового цилиндра создается несущая конструкция из достаточно высокопроч- hofo материала, а вокруг нее менее прочный материал, нагретый до температур, позволяющих, например, устранять просадочные или пучинные свойства грунтов. Причем, как было показано в предыдущей главе, в просадочных грунтах II типа можно уменьшить силы трения и сцепления окружающего конструкцию просадочного грунта после его замачивания.
Оборудование для термического упрочнения грунтов
Независимо от способа термического упрочнения грунтов к оборудованию для него предъявляются следующие основные требования: надежность в работе в условиях высоких температур и расчетных избыточных давлений; точность изготовления деталей и узлов, герметичность их соединений; многократность применения, оборачиваемость; возможность изготовления вспомогательного оборудования в построечных условиях, в производственных мастерских.
Наряду с тем для оборудования конкретных способов характерны особенности расчета и изготовления. Для факельных способов сжигания топливных смесей важнейшей частью всего комплекса является форсунка. Последнюю требуется изготовлять с особой тщательностью, причем отверстия сопла подлежат калиброванию и должны быть строго вертикальными. Даже незначительное отклонение таких отверстий от вертикали существенно затрудняет регулирование факела по высоте стволов, усложняет узлы крепления форсунок на затворе, а также создает условие для опасной концентрации теплового потока на отдельных участках стенок скважин, что, в свою очередь, влечет за собой оплавление грунта, сокращение или полное прекращение фильтрации нагретых газов в грунт на этих оплавленных участках. Рекомендуется иметь сопла нескольких размеров, что позволяет заменять их на различных этапах процесса. Характер распыления и сгорания топливных смесей, как показали опыты, зависит в немалой степени от качества изготовления диффузора. Особое внимание уделяется плотности соединений и узлов форсунки, нарушение которой влечет за собой снижение избыточного давления в стволе, потери тепла и воздуха и увеличение длительности работ.
Расход жидкого топлива приближенно можно оценить расчетом (табл. 5.1) в зависимости от диаметра отверстия для жидкого топлива и величины избыточного давления в топливопроводе.
При конструировании электрических нагревателей в виде спиральной навивки стараются увеличить массивность спирали, принимая шаг спирали, равным 3 -- 5 диаметра. В качестве изоляторов используются керамические изделия с нарезкой в них канавок для на-
Производительность форсунки но жидкому топливу, кг/ч, при диаметре отверстия для жидкого топлива форсунки, мм
0.2
0.6]
0,8
1 1
0,14
0,58
1.30
2,30
3,60
5,30
0,29
1,15
2*60
4,60
7,20
10,20
0,43
1,73
3,90
6,90
10,80
16,30
0,58
2.3()
5,20
9,20
14,40
21.60
0,72
2.90
6,50
1 1.50
18,00
26.5()
0,86
3,45
7.80
13,80
21,60
31,8()
1,00
4,00
9,07
16.13
25.20
38,90
1,15
4,61
10,37
18ДЗ
28,80
42,00
1,30
5*18
11.66
20,74
32,40
48.10
1*55
5,76
12,96
23,04
36,00
54,20
Таблица 5.1
Из бы точное давление, МНа
-—49656941 ООО — 23468
вивки спирали, которую предварительно нагревают до 600 — 850℃. Для измерения сопротивления нагревателей используют мост постоянного тока типа Р-333. Электрический ток и сжатый воздух подают в скважину через систему коаксиально смонтированных возду- ховодов-токопроводов, используемых также в качестве подвески нагревателей, состоящих из труб с толщиной стенок порядка 4 6 мм.
В процессе монтажа термографитовых нагревателей особое внимание обращается на соединение стержней по высоте и между собой, а также крепление сборки в забое ствола скважины. В интересах многократного использования таких нагревателей ствол заполняют термостойким сыпучим материалом, имеющим температуру плавления большую, чем у грунта. Имеются также предложения по защите термографитовых нагревателей стальными экранами, которые предохраняют стержни от сгорания.
При спекянии грунтовых смесей в открытых стволах трубопроводы подачи горючих смесей подвешивают в устье скважин на приспособлениях, позволяющих перемещать трубопроводы вверх по мере заплавления ствола. Грунт перед погружением в бункеры обычно предварительно высушивают и смешивают с добавками, интенсифицирующими процесс. Подводку топлива и воздуха в местах соединения с трубопроводом подачи горючих смесей осуществляют гибкими патрубками.
Конструкции затворов могут включать короткие патрубки, как правило, из металла, герметизирующие устье нагревательных скважин и погружаемые в ствол
с предварительной навивкои или приваркой уплотняющей спирали, которая ввинчивается в грунт стенок скважины при погружении затвора. Такие патрубки надежно компенсируют избыточное давление со стороны скважины и улучшают условия разжигания факела и вывода нагревательной скважины на рабочий режим. Патрубки для визуального наблюдения за процессом внутри скважин защищают термостойкими стеклами. Они размещаются на затворе таким образом, чтобы просматривался весь внутренний объем скважин. Так как в процессе термического упрочнения грунтов возможны остановки процесса сжигания топлива, перед началом работ в ствол вводится электрический нагреватель, то патрубок для визуального контроля используют для ввода запальников и термопар, а также для вентиляции стволов при остановке процесса.
Ввиду большого числа соединений на трубопроводах подачи в нагревательные скважины топлива сжатого воздуха особое внимание обращается на плотность узлов примыкания. При этом диаметр воздуховодов выполняется не меньше 50 мм, а топливопроводы на, разводке к скважинам принимаются из огнестойких шлангов.
Компрессорные установки целесообразно принимать работающими на том же виде энергии, что и нагревательные скважины: для электронагревательных способов -- электрические, для факельных — на жидком топливе. Наиболее предпочтительны стационарные установки, отличающиеся меньшей стоимостью генерируемого сжатого воздуха и большей производительностью. В практике работ по термическому упрочнению грунтов нашли применение компрессоры типа ЗИФ-55, НКС6М, ДК-9, ВН-10, 200-В, газодувки 1А32-80-4А, При вакуумировании скважин используют вакуум-насосы, например РМК-4. Для нагнетания в скважины подогретого воздуха используют калориферы, например типа УСВ-300 и другой производительности.
Буровые установки должны отличаться высокой производительностью, чаще всего на практике используют станки ССБ, СБА-500А, установки УГБ-50М, ЛБУ-50» АВЕ-5, БГМ-15.
В качестве приборов управления и контроля используют термопары типа ТХА, РРЗО, оптические пи-
рометры, расходомеры ДСР1-0,5, пружинные манометры ОЕМ-1, амперметры и вольтметры, электрические запальники, самозаписывающие приборы типа ЭПП- 9М, мосты постоянного тока, импульсные ультразвуковые приборы ИМ-2, ПИК-7, нейтронные индикаторы влажности НИВ-2 и другие приборы и пульты управления. Основное внимание уделяется соответствию средств контроля и управления работе в условиях повышенных температур и давлений, надежности конструкций, возможности пользования ими в ночное время, а также своевременности проверки и тарировки. Оптические приборы должны иметь шкалы цветов для грунта и металла.
5・3. Состав проектных и изыскательских работ
Выбору того или иного способа термического упрочнения грунтов предшествует анализ данных инженерно-геологических изысканий, характеристик возводимых или реконструируемых зданий и сооружений, методов строительства, условий эксплуатируемых зданий и сооружений, методов строительства, условий эксплуатации объектов, возможных для применения видов топлива и энергии, оборудования, контрольно-измерительной аппаратуры, а также учет опыта работ по термоупрочнению грунтов в данном регионе.
Материалы инженерно-геологических изысканий включают: разрезы и буровые колонки с характеристикой напластования грунтов в пределах строительных площадок, а также в контурах возводимых или реконструируемых зданий и сооружений на глубину активной зоны; описание физико-механических свойств грунтов до и после термического упрочнения, значения газопроницаемости, параметры внутреннего трения и сцепления, просадочности, временных сопротивлений сжатию, интервалы начала спекания и размягчения грунтов; описание гранулометрического и химико-минералогического составов грунтов до и после термического упрочнения, из теплофизических свойств, а также информацию о пористости, влажности, удельной и объемной массе грунтов, данные о газопропускной способности и тепловой мощности нагревательных скважин по результатам пробных испытаний; сведения об уровне, режиме и составе грунтовых вод.
Для способов термоупрочнения грунтов с применением газов и электрической энергии в предпроектный период получают технические условия на проектирование временных газопроводов и линий электропередач с согласованием в установленном порядке мест и способов подключения, трассировки сетей, потребляемой мощности, состава проектов и исполнительной документации.
Проектная документация на термическое упрочнение грунтов разрабатывается в составе: инженерно-геологические изыскания; обоснование принятого к производству способа термоупрочнения грунта в зависимости от его цели; план и профили расположения нагревательных и вспомогательных скважин с указанием контуров упрочняемых объемов грунта, узлов их сопряжения, в том числе с надземными конструктивными элементами зданий и сооружений; расчет термо- грунтовых массивов и конструкций, их форма, размерь1» несущая способность и устойчивость, расход материально-технических и трудовых ресурсов, потребность в оборудовании и приборах, продолжительность работ; проекты временных газопроводов и линий электропередач； схемы размещения оборудования, инженерных сетей и коммуникаций, их расчет и технические характеристики; проект производства работ.
Проект производства работ по термическому упрочнению грунтов является составной частью общего ППР и разрабатывается в составе: типовых технологических карт термического упрочнения грунтов, привязанных к местным условиям; указаний по режимам и техно-, логической последовательности процессов термоу прочинил грунтов; графиков производства работ с расчетом средств для их выполнения и числа работающих; методики контроля качества термической обработки грунтов в процессе нагревания и охлаждения масси- вов; расчеты технологических параметров процесса термоупрочнения грунтов во времени: избыточного давления в скважинах, температуры в них и в грунте, радиуса фронта расчетных температур, расхода топли- ва, воздуха и электрической энергии, скорости и коэффициента полезного действия процесса.
При производстве работ в действующих цехах или эксплуатируемых зданий предусматривают меры, учи- тывающие стесненность, координацию процесса термо- Упрочнения грунтов с технологическим процессом про-
изводства и условиями эксплуатации, технику безопасности при работе в закрытых помещениях. Эти мероприятия согласуются с заказчиками строительства. Кроме того, осуществляют мероприятия по охране труда и противопожарной безопасности.
Технологические карты на термическое упрочнение грунтов разрабатывают на процессы бурения скважин, монтаж и демонтаж основного технологического оборудования, инженерных сетей и коммуникаций, на принятый к производству способ термоупрочнения грунтов и тампонаж стволов скважин после окончания работ.
При разработке технологических карт пользуются приведенными в предыдущих главах расчетными характеристиками и рекомендациями. Если глубина скважин превосходит длину факела или высоту активной части нагревателя, то процесс рассчитывают по за- ходкам. При этом для факельных способов длина факела принимается до 8 и 12 м соответственно при сжигании жидкого и газообразного топлив.
Производство работ
Процесс производства работ по термическому упрочнению грунтов условно можно разделить на три основных периода: подготовительный, основной и заключительный. В подготовительном периоде осуществляют инженерное освоение строительной площадки, разбивку и бурение скважин, монтаж оборудования, инженерных сетей и коммуникаций, подключение их к внешним сетям и источникам энергии, монтаж средств контроля, опробование всей системы с проверкой ее функционирования и приведение в рабочее состояние.
Разбивку осей под скважины проводят от основных осей зданий и сооружений с отклонением не более чем на 5 см. Бурение нагревательных скважин осуществляют не ранее суток до начала процесса, так как при более поздних сроках происходит разупрочнение грунта в стенках скважин с увеличением степени влажности его по мере углубления ствола. Данное обстоятельство может существенно повлиять на изменение принятых режимов теплообмена.
Максимальное отклонение осей нагревательных скважин от проектных направлений принимается 1%
для вертикальных и 2% для наклонных и горизонтальных стволов. В процессе проходки скважин проверяют фактическое напластование грунтов и его соответствие данным инженерно-геологических испытаний. При этом удобно пользоваться таблицей определения вида грунта по количественному содержанию в нем глинистых частиц (табл. 5.2), доступной для бригадиров и рабочих, осуществляющих бурение скважин.
Таблица 5.2
Грунт
Ощущение при растирании грунта па；(ьцами
Скатывание
сухой1
смоченный
тара」」
игиура
Глина
Суглинок
Супесь
Жирная, тонкая. Песок не ощущается
Менее жирный, ощущается присутствие песка
Тощая, много мелких песчаных частиц
Очень пластичная, Легко, при вязкая, липкая, раздавливании маже! руки ив лепешку не
прилипает к ним трескается ПласI имен, вязок, Скатываегся, рукн мажс). по при раздавп”- сутссчвенно мснь- вании в лспеги- ше глинык\ грсскается
Не пластичнаШар не скаты-
вас гея,，рсс- кае гея и рас- сыпае I ся
Диаметром до 1 мм, при сгибании не трескается Диаметром до 2 мм, при сгибании нс рас- падае гея Диамс гром до 3 мм, но при сгибании распадайся
При несоответствии реального напластования грунтов проектному принимаются меры по корректированию принятых решений и изменению проектной документации.
Бурение осуществляют установками ударного, вращательного, турбинного и комбинированного типов. От того, насколько тщательно подготовлены нагревательные скважины, зависит результат термического упрочнения грунтов. При использовании шнекового способа бурения грунт в стенках уплотняется, поэтому, если это не предусмотрено проектом для уменьшения активной пористости стенки, уплотненный слой грунта удаляют или разрыхляют.
Производственные испытания газопропускной способности нагревательных скважин осуществляют принятым к производству оборудованием с нагреванием газов до расчетных температур. Характеристики дебитов скважин ненагретым воздухом, как правило, затрудняют прогнозирование их тепловой мощности.
В зависимости от мощности компрессорного оборудования, глубин нагревательных скважин уточняют число нагревательных скважин в каждой захватке. Затем монтируют оборудование, сети и коммуникации, аппаратуру, опробуют систему и осуществляют подключение генераторов тепловой энергии, проверяют работоспособность всего комплекса.
Основной период термического упрочнения грунтов содержит процессы вывода негревательных скважин на рабочий режим и поддержание его до образования термогрунтовых массивов и конструкций заданной формы и размеров, а для способов спекания грунтов в стволах скважин — до заполнения их на проектный уровень.
Вывод нагревательных скважин при факельных способах на рабочие режимы начинается с прогревания дна скважин до температуры, несколько выше температуры воспламенения горючих смесей. Для жидкого топлива нагревают грунт в пределах 500 -- 600℃, для газообразного — до 600 — 700℃. Затем регулируют длину факела путем изменения величины скорости истечения топливных смесей, избыточного давления в скважине, длины погружения в ствол форсунок, концентрации топлива. Рабочая температура стенок скважин назначается проектом, она контролируется визуально через смотровой глазок на затворе с использованием оптических пирометров по шкале цветов, которые для глинистых грунтов изменяются от начальных до светло-желтых.
Температура грунта, °CПоказатели изменения цвета
грунтовой стенки
500-600 Грунт начинает светиться,
приобретая темно-коричневую окраску различной побежалости
600—900 От чемно-красного до крас
ного цвета
900-1000 . . . От красного до светло-крас
ного цвета
1000-1200 От светло-красного До светло-
желтого цвета
Цвет факела также зависит от его температуры. Равенство оттенков цвета факела и грунта в стенках скважины характеризует стационарность процесса. При этом виден только цвет стенки скважииы, а факел кажется бесцветным. При увеличении температуры факела его окраска делается светлее, при сниже- 86
нии, наоборот, становится более темной. Следует предостеречь от типичной ошибки, допускаемой при определении температуры стенки скважины термопарами, монтируемыми в поверхность скважины заподлицо. В процессе нагнетания в грунт нагретых газов показания термопар соответствуют их температуре на входе в грунт, а не температуре самого грунта. Чтобы определить температуру грунта в стенках, необходимо остановить процесс и произвести замер.
Одной из самых ответственных, сложных, требующих навыка операций, является повторный розжиг форсунок после их остановки по какой-либо причине. Необходимо помнить, что все меры по герметизации скважин будут бесполезными, если при очередном включении форсунок оператор допустит скопление горючих смесей в стволе и так называемый хлопок при зажигании форсунки. Сила давления газов со стороны ствола в этом случае может достигать сотни килограмм и никакие, даже самые совершенные конструкции затворов и их при грузов не смогут им противостоять. В результате больших хлопков герметичность скважин частично или полностью нарушается и требуются меры по ее восстановлению. Поэтому оператор должен в первую очередь научиться избегать таких явлений. Для этого нужно открыть одно из отверстий на затворе, провентилировать ствол, топливо включить сразу, не допуская постепенного заполнения ствола горючей смесью и ее последующего взрыва при воспламенении.
Обычно операторы визуально надежно контролируют температуру в скважинах с точностью +25℃, что практически вполне достаточно. Особое внимание все же требуется уделять соблюдению заданного режима термообработки грунта, т.е. следить за показаниями манометров, расхода топлива и воздуха. Для этой цели у операторов имеются графики режимов во времени.
Температура грунта в упрочняемом массиве контролируется системой термопар, размещаемых на определенном расстоянии от стенки нагревательных скважин, чаще всего в радиальном направлении монтируют две термопары, соединенные с самопищухдим прибором, например типа ЭПП-9М, класса точности 0,5. Одна из термопар размещается на внешнем расчетном контуре упрочняемого объема грунта, вторая — на половине длины этого расстояния. Термопары используют многоспайные с осуществлением замеров темпера-
тур и по глубине упрочняемого массива грунта. Для монтажа таких термопар предварительно делают шпуры, которые тепло- и газоизолируют с поверхности, предупреждая выход тепла и нагретых газов в атмосферу.
При вынужденной остановке или затухании форсунки следует вначале выключить подачу топлива. Если по достижении расчетной температурой заданного расстояния режимом предусматривается охлаждение нагретого массива грунта, то сжатый воздух подается в массив из нагревательных скважин. При этом шпуры для монтажа термопар могут открываться.
Если используются автоматические пульты управления режимом, то особое внимание уделяется поддержанию температуры стенки скважин, с достижением которой предельного значения отключается подача топлива или интенсивность подачи и наоборот.
Для способов с погружными нагревателями необходимо контролировать температуру спирали или стержня нагревателей. Визуально это осуществляют по шкале цветов металла (табл. 5.3). .
Таблица 5.3
Темпера-
Цвет каления
Темпера-
Цвет каления
тура, “С
iypa, бС
550-580
Темно-коричневый
830- 900
Светло-красный•
580 650
Коричнево-красный
900 1050
Оранжевый
650-730
Темно-красный
1050-1150
Ге мно-красный
73() 770
'Гемно-вишНевый
1150-1250
Свечло-желтый
770 800
Вишнево-красный
1250-1300
Ярко-желтый
8()0 830
Светло-вишнево-красный
1300-1400
Жел'ю-белый
Расход электроэнергии контролируют счетчиками активной и реактивной энергии, ток и напряжение — амперметрами и вольтметрами. При этом контролируют температуру не только нагревателей, но и несущих конструктивных элементов нагревательных устройств. Она не должна превышать 950 -- 1050℃, в противном случае снижается надежность функционирования нагревателей.
Отметим, что в процессе термоупрочнения грунтовых массивов от центра скважины в радиальном направлении перемещается контур порога влажности, который визуально видно на поверхности грунта в виде удаляющегося от скважины увлажненного обруча,
гребень которого соответствует температуре 70 — 90℃. По этой окружности, зная величину расчетного показателя термограммы, можно ориентировочно определять размеры термоупрочненного массива и без установки в грунт термопар. Однако при этом следует учитывать, что порог по направлению от дна скважины к дневной поверхности может иметь отклонения от вер- * тикали.
После термоупрочнения грунта на высоту каждой заходки составляется акт на скрытые работы и ствол тампонируют предусмотренным в проекте материалом.
В процессе термоупрочнения грунтов ведется журнал работ. На его титульном листе указывают фамилии должностных лиц, ответственных за производство работ, состав бригад и даты получения исполнителями разрешений на допуск к работам по термоупрочнению грунтов. В журнале отмечают все отклонения от проектного режима, время и продолжительность отключения форсунок или нагревателей, факты прорыва газов и принятые меры. При работе нагревательных скважин в проектном режиме запись производят один раз в смену после ее окончания старшим оператором. В журнале также ведут запись приема-сдачи дежурств операторами с соответствующими замечаниями.
Заключительный период работ включает демонтаж оборудования, сетей и коммуникаций, передислоцирование их на другие захватки или объекты, сдачу работ представителю заказчика, заполнение стволов скважин. Приемку выполненных работ осуществляют путем проверки соответствия контуров и размеров термоупрочненного грунта, его прочностных и деформационных свойств проектным. Работы сдают представителю заказчика по техническому надзору перед заполнением стволов нагревательных скважин с составлением актов на скрытые работы вначале по каждой захватке, а потом по всему объекту в целом. Приемку работ осуществляют на основании: проекта производства работ, технологических карт, актов геодезической разбивки осей термогрунтовых массивов и конструкций, исполнительных схем, актов на скрытые работы, журналов работ по термоупрочнению грунтов, актов испытаний образцов грунта до и после упрочнения и актов испытаний термогрунтовых массивов и конструкций (если это предусмотрено проектом).
Производство работ по устройству надфундаментных конструкций зданий и сооружений, возводимых на термически упрочненных грунтах, начинается после сдачи работ по термоупрочнению грунтов представителю технадзора заказчика.
В тех случаях, когда фактические размеры и форма термоупрочненных массивов грунта подлежат уточнению, производят обуривание термогрунтовых массивов шпурами и отбор образцов. Для ответственных зданий и сооружений рекомендуется также предварительно провести пробные работы по образованию термогрунтовых массивов и конструкций, а иногда и вскрытие их на всю глубину с изучением параметров изменения прочностных и деформационных свойств новообразований и связи их с температурой нагревания.
Контроль качества работ и техника безопасности
Контроль качества термического упрочнения грунтов проводится на всех этапах работ и имеет своей целью обеспечение проектных размеров, форм и прочности термогрунтовых образований в заданные сроки. Как уже частично было отмечено, его основными задачами являются:
соблюдение предусмотренных проектом технологических параметров процесса: давления в скважинах, температур нагретых газов и стенки нагревательной скважины, температур в контрольных точках термоупрочняемого массива грунта, расхода топливно-энергетических ресурсов во времени;
поддержание заданного режима процессов: соотношения температур нагретых газов и стенки скважины во времени, избыточного давления в нагревательной скважине и вакуума во вспомогательных скважинах с температурами в скважине и расходом энергии, избыточного давления и скорости процесса, скорости охлаждения массива после или в процессе термической обработки грунта;
проверка герметичности стволов нагревательных скважин, исключение утечки нагретых газов и сжатого воздуха в атмосферу через трещины в грунте вокруг затворов, своевременное их тампонирование;
оперативное внесение изменений в проектные ре-
шения при несоответствии их реальным геотехническим условиям строительной площадки, в частности характера напластования грунтов и их свойств, газопропускной способности нагревательных скважин, производительности используемого оборудования.
Для нагревательных скважин, оборудованных системами автоматики, должна предусматриваться звуковая или световая сигнализация, оповещающая операторов о критических значениях технологических параметров процесса. Многоспайные или односпайные передвижные термопары размещаются в нагревательных скважинах и измерительных шпурах таким образом, чтобы на каждый разнородный горизонт грунта приходилось не менее одного спая и не менее 2 м по глубине.
Практика показала, что оптимальное число нагревательных скважин составляет 15 -- 30 на одного оператора. При этом большее количество относится к способам электротермического упрочнения грунтов, затем с применением газообразных видов топлива, а минимальное число нагревательных скважин назначают при сжигании топлива жидкой консистенции.
Для системного контроля, учета и отчетности ведут журнал термического упрочнения грунтов по форме, предлагаемой строительными нормами и правилами. В него помимо отмеченных ранее записей вносят данные о составлении промежуточных актов на скрытые работы до сдачи работ представителю технадзора заказчика.
Термическое упрочнение грунта в условиях их естественного залегания осуществляется при относительно высоких температурах и давлениях, являющихся факторами повышенной опасности и требующих строгого соблюдения правил техники безопасности и противопожарных мер. Эти требования достигаются соблюдением безопасных условий труда, созданием противопожарной защиты участка работ и исключение доступа в рабочую зону посторонних лиц.
К производству работ по термическому упрочнению грунтов допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие специальное обучение и получившие удостоверение на право работ, медицинское обследование, общий, вводный или повторный инструктаж на рабочем месте. Удостоверение на право ведения работ по термическому упрочнению грунтов действительно в течение одно-
го года, по истечении которого оно продлевается или заменяется с соответствующей проверкой знаний и навыка работы.
Место производства работ ограждают и освещают, вывешивают предупредительные надписи. До начала работ проверяют исправность всех механизмов, оборудования, средств контроля давления и температуры, даты проверки приборов органами контроля, герметичность всех соединений, запорных вентилей, а затем и каждой нагревательной скважины. Размещение источников энергии и разводящих сетей должно исключать возможности возгорания и взрыва, что предусмотрено в проектах производства работ.
Розжиг топливных смесей в форсунках в начале работ и при повторном зажигании является одной из самых ответственных операций. Его выполняют только в средствах индивидуальной защиты: брезентовых рукавицах, маске электросварщика с жаропрочными стеклами, брезентовом костюме. При использовании запальника и в случае процессов с электронагревателями работы ведут в резиновых перчатках и сапогах с применением резиновых ковриков. В холодное время года операторы должны быть обеспечены теплой одеждой и обувью.
Во время работы операторам запрещается: -подавать в нагревательные скважины топливо и сжатый воздух при давлениях, превышающих проектные; смотреть в контрольный глазок на затворе без защитных очков. В случае неисправности оператор должен немедленно отключить источник питания, а для топливных смесей — топливо и только после этого -- воздух. Операторам запрещается также отлучаться одновременно с участка работ по термоупрочнению грунтов и оставлять установки без присмотра. Установку каждой захватки, на которой проводят термическое упрочнение грунтов, обслуживают не менее двух операторов, один из которых старший смены.
Продолжение работ после устранения неисправностей разрешает только старший оператор. О всех неисправностях, их причинах и мерах по их устранению, результатах контрольных проверок старший оператор делает записи в журнале работ. При работе в закрытых помещениях, в узких и глубоких выработках и котлованах должна быть обеспечена надежная вентиляция. После вы нужденной остановки форсунок и го-
релок, перед их последующим включением стволы нагревательных скважин обязательно вентилируют.
Участки работ по термическому упрочнению грунтов должны быть обеспечены средствами пожаротушения, телефонной связью и дежурной автомашиной, а также средствами первой медицинской помощи. Производственную инструкцию по технике безопасности для работ по термоупрочнению грунтов разрабатывает строительная организация. Утверждается инструкция ее главным инженером, хранится на месте работ.
Технико-экономическая эффективность метода
Перспективность метода термического упрочнения грунта обусловлена его относительно высокими техническими и экономическими показателями. Важным преимуществом метода является минимальная материалоемкость, так как первичным сырьем для изготовления термогрунтовых конструкций служит сам грунт, а на его искусственное преобразование затрачивается на 1 м3, как это показано в гл. 3, меньше 100 кг у.т. При этом резко сокращается расход дорогостоящих привозных материалов, достигается экономия цемента, металла и древесины, в результате чего, в свою очередь, уменьшаются объемы транспортных перевозок и высвобождаются мощности предприятий промышленности строительных материалов. Данное обстоятельство особенно важно для объектов энергетического, сельскохозяйственного и нефтепромыслового назначения, для которых характерны большая разбросанность объектов, удаленность от производственных баз, .отсутствие, как правило, хороших транспортных коммуникаций.
Не менее существенным является то, что применяемое для термического упрочнения грунтов оборудование и технология достаточно просты и доступны для строителей, а в качестве источников энергии могут быть использованы любые виды топлив, электрическая, а в перспективе и другие виды энергии. При этом до минимума снижаются объемы земляных работ, сокращаются затраты ручного труда, уменьшаются размеры капитальных вложений в основные и оборотные фонды строительных организаций» предприятий, хозяйств.
Использование способов спекания грунтов сущест- Еенно расширяет область практического применения
метода, так как размягчению поддаются не только связные грунты, но и черноземы, пески и другие грунтовые отложения, не разлагающиеся при высоких температурах. Обобщение опыта практического применения метода при строительстве и реконструкции ряда строительных объектов показало его достаточно высокую экономическую эффективность, что видно из приведенных данных (табл. 5.4), полученных обобщением результатов работ при возведении 101 сооружения в различных регионах страны. В этой таблице приведены объекты, по которым первоначальные проектные решения оснований, фундаментов и подпорных стен в виде бетонных, железобетонных, стены в грунте и силикатизации грунта заменены на термогрунтовые. В среднем в расчете на 1 м3 термогрунтовых образований получена фактическая экономия: сметной стоимости строительно-монтажных работ — 10,71 руб.; затрат труда -- 2,73 чел.-дн. цемента — 26 кг; металла — 8 кг； 3,4 кг у.т. По приведенным в табл. 5.5 объектам- укреплено всего 254,7 тыс. м3 грунта и получена экономия 2,73 млн руб.
Всего в настоящее время на термоупрочненных грунтах возведено и реконструировано свыше 300 различных зданий и сооружений, технико-экономические показатели выполненных работ аналогичны приведенным в табл. 5.4 данным. Можно назвать несколько объективных предпосылок перспективности применения метода в условиях строительных площадок в интересах возведения и реконструкции зданий и сооружений, в том числе:
в качестве основного рабочего агента используется тепловая энергия, которая может распространяться в любой среде -- в жидкой, газовой и твердой, -- в то время как подавляющее большинство других способов технической мелиорации предполагают обязательное наличие поровых пространств;
источниками генерации тепла могут быть практически любые виды энергии* Кроме отмеченных ранее применимы твердые топлива, СВЧ энергии и лазеры, однако последние практически еще не используют, но в этом направлении вдутся экспериментальные работы;
механическая прочность термогрунтовых материалов возрастает с повышением температуры термической обработки, изменяясь от начальной до присущей
s-0
IGIZ
-寸 I
•6S
-901
s2當
m-z
086 S69
oc 寸 ON
0E寸寸9E
•HIruoh
4130 N
г
寸30
-=6
У9Е
■sz
-6 二
-3
三
CMHJdoHC
8-0
-88-
-65
-6W
■8E
--
cuhesN
9-0 I-OIOS
8799
--立寸為
EHAdJ OBSBrts я озон
—XOSJOaexosauH ns I eh so&o^o g
08 G
8IK
i^.
or寸
-susoa
—Qd XIqoAdI H XHYJghHLSJdQHCMqHquEHdzEW KHWOHOYe
•6S 寸
-66=
6二0寸
•88E
■LL
-g Ad
-озн
-SHOOS
—HOI。
eOH
'lows°HH
，0关 MHO
°0m9o
У81
•9~
ESQ
-寸寸
q J3H"LHAdJ
，0工HUH
.ТОЛ&
W2go
81
二
HSHEnE
ossff
•U9O KEN°
MIq2 ・：wodu*HHNIqd¥ SE
WMEdYA .d°8 HodlaoJ ^ossffi
.Ugo KEN°fflOIOOd
"BNBR-c'-Nsodu'-HSNBl/Hxm ME
22^ CHIQEKgo KFNOKE^HHH
-UK- CKPYOHOIJOd cdDDmA wxepy S3X .л^мй <nsB30«x^ *M*M ・wx suss
Mioeugo K^MO'odou^m -sswoxoos
CKENQBONOU nKEdN SSXO^^OEOraa^ -SS8 —dowMdu ・JTnq9 仗工-M.M .2S <SM
^aos&B4OHd°cdogEd ЯЯ
.§offinso^K iHOMJOd CMMTlEnMHEJdo
4 Hi n n n ,d In n
полускальным и скальным породам и строительным бетонам. Разработаны способы управления температурами нагревания грунтовых массивов и, следовательно, формированием прочностных и деформативных свойств термогрунтовых образований, что равносильно управлению и прогнозированию этих свойств с учетом характера и направления действия внешних нагрузок；
форму, размеры и пространственную ориентацию термогрунтовых массивов и конструкций удается изменять в зависимости от параметров внешних воздействий, в частности избегая или существенно ослабляя развитие растягивающих напряжений;
как известно, при устройстве фундаментных и других конструкций в грунте из бетона и железобетона образуется контакт двух сред, отличающихся показателями механической прочности на 2 порядка цифр (например, бетоны класса В 15 -- В 25, укладываемые в грунт с временным сопротивлением сжатию порядка 2 -- 3 кгс/см2). Контактные напряжения при этом во многом определяют расчетные состояния, в частности развитие пластических деформаций и потерю устойчивости фундаментов. Термическое упрочнение грунтов позволяет, как показано, создать термогрунтовые массивы с распределением в них прочности по закону изменения напряжений от внешних сил таким образом, чтобы деформации упрочненных объемов по их внешнему контуру были пренебрежимо малы или допустимы. В этих случаях в грунтовом массиве создается самонесущий упрочненный объем, который хорошо воспринимает нагрузки не только от вертикальных воздействий, но и от распорных конструкций;
при нагревании грунтов в пределах до 200℃, т.е・ до полного испарения содержащейся в грунтах свободной и физически связанной воды, и последующем интенсивном охлаждении силы внутреннего трения и сцепления становится меньше природных, что можно использовать для уменьшения негативного давления на сваи и опоры в просадочных грунтах II типа при их замачивании эксплуатационными и атмосферными водами, а также в интересах образования различных экранов, например для экранирования сейсмических воздействий на подземные сооружения и фундаментные конструкции;
термогрунтовые образования можно доупрочнять или, наоборот, разупрочнять в зависимости от изме-
нившихся условий их работы на действующие нагрузки. Причем эти работы выполняются без вскрытия дневной поверхности и конструктивных элементов, т.е. сокращаются объемы земляных работ, открывается возможность их производства в стесненных условиях при ограниченном фронте работ;
при температурах спекания связных и песчаных грунтов образуются материалы, отличающиеся не только высокой прочностью, но и химической стойкостью и долговечностью. Это позволяет использовать их в качестве строительных материалов и заполнителей. При заплавлении выработок, в том числе стволов скважин в грунтовые смеси могут добавляться различные катализаторы, снижающие температуру плавления и расход энергии, повышающие или понижающие прочность и деформационные свойства расплавов;
ресурсосберегающий характер метода определяется реальной возможностью утилизации и многократного использования затрачиваемой на обработку тепловой энергии. Аккумулированная нагретым массивом грунта тепловая энергия может быть перераспределена путем охлаждения массива принудительным способом, а нагретая влага и отработанные газы вакуумированы для последующего использования. Потери тепла через дневную поверхность также поддаются сокращению устройством тканевых покрытий и уплотнением грунта;
возможность применения метода в условиях действующих производств в процессе их реконструкции, характеризуемой ограниченностью зоны работ, стесненными условиями, затруднениями с применением строительных машин и механизмов. Для термоупрочнения грунтов применяют малогабаритное оборудование, число обслуживающих процессы рабочих -- минимальное, материалы практически не нужны;
высокая степень механизации и автоматизация процессов с дистанционным управлением, сокращающие затраты ручного труда и повышающие качество работ и их безопасность;
технологичность сопряжения с другими конструкциями и материалами, возможность сопряжения с арматурой из металла и принципиальная возможность образования армированных термогрунтовых конструкций;
химико-минералогический состав термогрунтовых
образований практически не отличается от соответствующего состава строительных бетонов, изготавливаемых из аналогичного сырья, в котором не только инертные, но и вяжущие составляющие имеют те же самые компоненты химического и минералогического содержания. То есть речь идет о том, чтобы вначале разрабатывать где-то породы и изготавливать из них конструкции, с предварительным обогащением и сложным циклом обработки, а затем доставлять в ту же среду и укладывать изготовленные конструкции или материалы в нее. Этот вопрос необходимо исследовать в более широком плане.
Приведенные основные предпосылки, характеризующие перспективность метода термического упрочнения грунтов, конечно же, не исчерпывают всех его потенциальных возможностей и они будут раскрыты более полно в процессе дальнейших исследований и внедрения метода в практику инженерного строительства в народнохозяйственных масштабах.
Расчет экономической эффективности метода производится по стандартным методикам в соответствии с требованиями СН 423-71 и СН 509-78. Методику расчета приведем на примере сравнения с аналогом в виде монолитного бетона класса В 22,5, В 25, который заменяется термогрунтовыми фундаментами (табл. 5.5).
В соответствии с расчетными данными экономическая эффективность при замене бетонных монолитных фундаментов на термогрунтовые с эквивалентной несу-
Таблица 5.5
Показатель себестоимостиПоказатель себестоимостиБетон классаВ 22,5, В 25Бетон классаВ 22,5, В 25Термогрунтовые фундаменты (эквивалентные) при Тср, °C
Показатель себестоимости
Показатель себестоимости
Бетон класса
В 22,5, В 25
Бетон класса
В 22,5, В 25
-Г
9001200
Трудоемкость, чел.-дн.15,7Фондоемкость, руб.52.6Расчетная себестоимость,руб., в юм числе：прямые расходы:66,54зарабочная плата33,52материалы, энергия18,62оборудование, машины 14,4。наклацные расходы:14,4415% от зарплаты5,020,6 руб/чел.-дн.9,42Трудоемкость, чел.-дн.15,7Фондоемкость, руб.52.6Расчетная себестоимость,руб., в юм числе：прямые расходы:66,54зарабочная плата33,52материалы, энергия18,62оборудование, машины 14,4。наклацные расходы:14,4415% от зарплаты5,020,6 руб/чел.-дн.9,422 л2 ло 23 8 5 3 9 7 22 19 5 4 2 2о 23 8 5 3 9 7 22 19 5 4 2 22 99721573х,8 3 2 3 82 14 9 5 2 22 99721573х,8 3 2 3 82 14 9 5 2 2
Трудоемкость, чел.-дн.15,7
Фондоемкость, руб.52.6
Расчетная себестоимость,
руб., в юм числе：
прямые расходы:66,54
зарабочная плата33,52
материалы, энергия18,62
оборудование, машины 14,4。
наклацные расходы:14,44
15% от зарплаты5,02
0,6 руб/чел.-дн.9,42
Трудоемкость, чел.-дн.15,7
Фондоемкость, руб.52.6
Расчетная себестоимость,
руб., в юм числе：
прямые расходы:66,54
зарабочная плата33,52
материалы, энергия18,62
оборудование, машины 14,4。
наклацные расходы:14,44
15% от зарплаты5,02
0,6 руб/чел.-дн.9,42
2 л
2 л
о 2
3 8 5 3 9 7 2
2 19 5 4 2 2
о 2
3 8 5 3 9 7 2
2 19 5 4 2 2
2 9
9721573х,8 3 2 3 8
2 14 9 5 2 2
2 9
9721573х,8 3 2 3 8
2 14 9 5 2 2
щей способностью составит, руб/мЗ: 31=(80,98- -32,89)+0,15(52,6-9,1)=54,61; 31=(80,98- ■33,17)+0,15(52,6-12,3)=51,85.
Аналогичные расчеты при замене буробетонных свай на термогрунтовые, выполненные заплавлением стволов грунтовыми смесями, выполнены ГПИ Фунда- ментпроект и согласованы с НИИЭС Госстроя СССР, рекомендовавшим эти расчеты в качестве типовых. Эффективность на 1 м3 свай составляет 31=(198,34- -158,79)+(),15(271-111,6)=63,46 руб/м3.
В проектах Запорожского отделения НИИСК Госстроя СССР при замене силикатирования грунтов их термическим упрочнением показатели эффективности приняты в следующих соотношениях: 3]=(17,57- -5)+0,15(3,31-4,71)=12,36 руб/м3.
В этих зависимостях первые слагаемые определяют расчетные себестоимости работ, а вторые*-- капитальные вложения в основные фонды. В принятых методиках расчета эффективности изменением продолжительности работ в целом по объекту пренебрегают и учитывают только размеры накладных расходов, зависящие от трудоемкости работ и размеров заработной платы.
В табл. 5.5 для термогрунтовых фундаментов указаны объемы, эквивалентные по несущей способности. Для средней температуры обработки 兀卩=900吋 они в 1,5 раза больше по объему бетонных, а для 1200℃ -- равны им. Эквивалентность материалов в конструкциях можно выразить исходя из следующих соображений. Как показано (см. табл. 1.2), термогрунтовые материалы в зависимости от средней температуры обработки можно классифицировать по прочности в зависимости от коэффициентов крепости, введенных в практику расчетов проф. М.М. Протодъяконовым и широко применяемых в расчетах подземных конструкций и сооружений. В зависимости от коэффициентов крепости представляются и различные марки строительных бетонов. В связи с этим можно поставить в соответствие прочностные и иные показатели материалов в зависимости от коэффициентов крепости Ккр, а также и соотношение их эквивалентных по этим свойствам объемам. В этом случае соотношение объемов термогрунтовых фундаментов с другими, для которых известны величины Ккр, могут быть выражены в виде таблиц (табл. 5.6) или комбинированных графиков (рис* 5.2). Правило пользования графиками заключа-
7
Рис. 5.2. Совмещенные графики зависимости отношения разме* ров заменяемых материалов от коэффициента крепости н средней температуры термической обработки грунтов
Таблица 5.6
88-30813646-40274210 ,,,,,,,, 一 7 4 2 11 n 11 1111 11-30813646-40274210 ,,,,,,,, 一 7 4 2 11 n 11 1111 113330388 4971631о 9 ，со ni 11 1111 41 11 ^53330388 4971631о 9 ，со ni 11 1111 41 11 ^5Ккр заменяемой конструкцииКкр заменяемой конструкции6644-0 0 0 0 5 0 3 8-5 5 0 5 2 1 9岀i 62 11110 0-0 0 0 0 5 0 3 8-5 5 0 5 2 1 9岀i 62 11110 018264 14091831 988 ч^ 1^ 1 11 п^о18264 14091831 988 ч^ 1^ 1 11 п^оо о о о 8 0 4 0 2862 8877 , , , , , ， ，—9V> 2 11 и 11 о о о оо о о о 8 0 4 0 2862 8877 , , , , , ， ，—9V> 2 11 и 11 о о о о-33333728 _- 3 3 3 8 7 6 6 5 ，, ， —， —，—， ♦ -4 2 —1 11 о о о о о Т55 525U64 -2 7 7 6 5 5 4 4 -3 —1 —г о о о о о о-33333728 _- 3 3 3 8 7 6 6 5 ，, ， —， —，—， ♦ -4 2 —1 11 о о о о о Т55 525U64 -2 7 7 6 5 5 4 4 -3 —1 —г о о о о о о22-6 7351965' 8 5 4 3 3 2 2 2-bln^n^n^n^^n^^-6 7351965' 8 5 4 3 3 2 2 2-bln^n^n^n^^n^^4 13 9 7 5 4 35 3 7- 11 11 11 11 —14 13 9 7 5 4 35 3 7- 11 11 11 11 —1&12345678&12345678
8
8
-30813646
-40274210 ,,,,,,,, 一 7 4 2 11 n 11 1111 11
-30813646
-40274210 ,,,,,,,, 一 7 4 2 11 n 11 1111 11
3330388 4
971631о 9 ，со ni 11 1111 41 11 ^5
3330388 4
971631о 9 ，со ni 11 1111 41 11 ^5
Ккр заменяемой конструкции
Ккр заменяемой конструкции
6
6
4
4
-0 0 0 0 5 0 3 8
-5 5 0 5 2 1 9岀
i 62 11110 0
-0 0 0 0 5 0 3 8
-5 5 0 5 2 1 9岀
i 62 11110 0
18264 140
91831 988 ч^ 1^ 1 11 п^о
18264 140
91831 988 ч^ 1^ 1 11 п^о
о о о о 8 0 4 0 2862 8877 , , , , , ， ，—9
V> 2 11 и 11 о о о о
о о о о 8 0 4 0 2862 8877 , , , , , ， ，—9
V> 2 11 и 11 о о о о
-33333728 _- 3 3 3 8 7 6 6 5 ，, ， —， —，—， ♦ -4 2 —1 11 о о о о о Т55 525U64 -2 7 7 6 5 5 4 4 -3 —1 —г о о о о о о
-33333728 _- 3 3 3 8 7 6 6 5 ，, ， —， —，—， ♦ -4 2 —1 11 о о о о о Т55 525U64 -2 7 7 6 5 5 4 4 -3 —1 —г о о о о о о
2
2
-6 7351965
' 8 5 4 3 3 2 2 2
-bln^n^n^n^^n^^
-6 7351965
' 8 5 4 3 3 2 2 2
-bln^n^n^n^^n^^
4 13 9 7 5 4 3
5 3 7- 11 11 11 11 —1
4 13 9 7 5 4 3
5 3 7- 11 11 11 11 —1
&12345678
&12345678
ется в определении соотношения объема термогрунтовых фундаментов при замене ими фундаментов с известными Ккр，используемого в деле материала.
По оси абсцисс находится Ккр материала заменяемой конструкции фундамента, например для бетона
класса В 22,5, В 25 имеет Ккр=3. Затем в зависимости от средней температуры термоупрочнения грунтов в фундаментах Тср находим соотношение эквивалентных объемов, например для Тср=900℃ в точке пересечения графика с Ккр=3 получаем величину 1,5. Это значит, что при замене фундаментов из бетона класса В 22,5, В 25 необходимо увеличить объем по сравнению с ним термогрунтовых фундаментов в 1,5 раза. На том же графике видно, что для средней температуры 1100℃ объемы бетона и термогрунта будут эквивалентны.
По табл. 5.6 находят соотношение объемов фундаментов по эквивалентной несущей способности и известным Ккр заменяемых материалов, в том числе и термогрунтовых. По формуле (1.2) определяется величина Ккр термогрунтового материала в зависимости от Тср> например для Тср=1100℃ он равен 3. При замене материала с Ккр=2 объем термогрунтового материала будет составлять 0,75 заменяемого.
ГЛАВА 6.ГЛАВА 6.
ГЛАВА 6.
ГЛАВА 6.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА. НАПРАВЛЕНИЯ ЕГО ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
Пути интенсификации технологических процессов термического упрочнения грунтов
Во всех случаях термического упрочнения грунтов, как при возведении так и при реконструкции зданий и сооружений, мы имеем дело с массивами грунтов в условиях их естественного залегания» В общем виде задача термоупрочнения грунтов ставится в следую- тем виде: по известным свойствам грунтовой среды, характеристикам зданий и сооружений и условиям их эксплуатации^ заданной цели термоупрочнения грун- тов。необходимо запроектировать наиболее эффектив- ннй и экономичный способ, обеспечивающий решение поставленной цели с минимальными затратами сил и средств и продолжительности работ.
Выявленные закономерности, управляющие процессами теплообмен а, технологическими параметрами н агрев ательных скважин и упрочняемого массива грунта, формированием прочностных и деформацион- ных свойств, образованных термообработкой грунтов массивов и конструкций, позволяют комплексно исследовать опыт и известные способы, выявить их достоин- ства. и недостатки и предложить новые технические решения, наиболее полно учитывающие геотехнические условия возведения и реконструкции объектов с техническими возможностями метода термического упрочне- ния грунтов и экономической целесообразностью его применения-
Наиболее актуальными вопросами, которые выдви- гает практика проектирования и возведения зданий и сооружений с применением способов термического упрочнения грунтов, являются вопросы интенсификации технологических процессов и оптимизации их по критериям продолжительности работ и затрат материально-технических и трудовых ресурсов, в том числе тепловой энергии.
Для решения задачи интенсификации технологиче-^ ских процессов необходим комплексный анализ закономерностей связи технологических параметров нагревательных скважин со свойствами грунтовых сред и
102
потенциальными возможностями метода конкретно для реальных геотехнических условий строительных площадок.
Обобщенным показателем интенсивности процесса термообработ к и грунтов является величина средней скорости распространения фронта расчетных температур а , выражаемая отношением тепловой мощности нагревательных скважин Q, МДж/(ч-м2) к средним затратам тепла на термообработку единицы объема грунта Qy, МДж/м3. Величина ар определяется по зависимостям, аналогичным (3.8) и (3.9). Из анализа этих зависимостей и следует искать пути интенсификации процессов за счет увеличения тепловой мощности нагревательных скважин и сокращения затрат тепла на термическое упрочнение грунта. Как показано в п. 3.3, расход тепла на термическое упрочнение грунта зависит также от коэффициента полезного действия КПД, выражаемого отношением расчетного объема термогрунтового массива по контуру фронта расчетных температур Тр к объему грунта, нагретому до температуры конденсации паров влаги Тк. С учетом (2.10), (3.14) и (3.15а) развернутое выражение для скорости процесса термоупрочнения грунтов можно представить в виде
у]g)6小 a ка(4一 ")
РУ(ж(°ск『ср + °п "')
где дР - избыточное давление в скважине, МПа; У^ - скорость входа нагретых газов в стенку скважины при единичной депрессии (△ Р= 1) м^/ (ч-МПа) ； С°6 - объемная теплоемкость нагретых газов, МДж/(м3 оС); Тг - температура нагретых газов при входе в грунт, °C; П - пористость грунта в стенках скважины; Ка - обобщенный коэффициент теплообмена кондукцией и лучеиспусканием, МДж/(ч*м^ °С); Тс - температура стенкн скважины, °C; Fc - площадь внутренней поверхности скважины, м^; TQ - температура в центре скважины по ее продольной оси, °C; Уск - объемная масса скелета грунта, кг/м^; Сск -- удельная теплоемкость скелета грунта, МДж/(кг'°С); ТСр - среднеинтегральное значение температуры нагревания минерального скелета грунта, ℃; С^ - теплота парообразования влаги, МДж/кг; W -- природная влажность грунтовой среды; К — показатель степени термограммы, аппроксимирующей кривую изменения температуры от стенки скважины к периферии.
Зависимость (6.1) может служить исходным руководством для разработки новых технических решений.
интенсифицирующих процессы термоупрочнения грунтов через буровые скважины и другие выработки. Рассмотрим некоторые из них, разработанные на уровне изобретений и защищенные авторскими свидетельствами СССР. Так как величина избыточного давления от серийных передвижений компрессоров не превышает 0,2 0,3 МПа, а этот фактор является одним из определяющих скорость фильтрации нагретых газов в грунт, предложен способ создания дополнительного давления в скважинах (рис. 6.1)ж.
После бурения скважины 1 и герметизации ее затвором 2 с уплотняющим сальником 3 в верхней части затвора на тросовой подвеске 4 закрепляют поршневое приспособление 5. Затем по трубопроводу 6 с кольцевым распределителем 7 через отверстие 8 подают горючие смеси и зажигают их. Поршневое приспособление сбрасывают с высоты и создают дополнительное динамическое давление в скважине, интенсифицируя процесс фильтрации нагретых газов в упрочняемый массив грунта 9. Полное давление в скважине суммируется от давления поршня и скоростного напора газов. Трубопровод 6 оборудован обратным клапаном 10, препятствующим выходу нагретых газов из скважины при действии динамического давления поршня. Глубина падения поршня фиксируется длиной подвески, соединенной с автоматической лебедкой. Подачу горючих смесей и их зажигание электрическим или иным запальником 11 ведут периодически после поднятия поршня в верхнее крайнее положение, который может иметь и механический жесткий привод. Способ позволяет увеличивать давление с увеличением глубины скважины и при этом прорабатываются нижележащие горизонты упрочняемого массива, которые, как правило, отличаются уменьшающейся по глубине газопроницаемостью. Способ дает возможность заменить передвижные компрессоры типа ЗИФ-55, ДК-9, ПКС-6М, ВН-10 и им аналогичные на воздуходувки и вентиляторы высокого давления, себестоимость генерации воздуха в которых сокращается в 3 -- 4 раза.
Другой способ увеличения избыточного давления в нагревательных скважинах (рис. 6.2) состоит в следую-
А.с. № 850802 СССР, МКИ‘ EO2D 3/11. Способ термического укрехшения грунта. Бюлл. изобр. № 28, 1981.
Рис. 62 Способ увеличения избыточного давления в скважинах
8
8 2
01
Рис. 6.1. Способ создания дополнительного давлевия в скважинах
Рис. 6.3. Совмещенные графики зависимости показателя термограмм от избыточного давления в стволе скважин и длительности нагнетания нагре-
тых газов в грунт
Рис. 6.4. Способ многократного нагревания и охлаждения стенок нагревательных скважин
Рис, 6.5. Способ спекания грунтов с заполнением скважин термостойкими материалами
щем . После бурения скважины 1 и герметизации ее удлиненным затвором 2 с уплотняющим сальником 3 и обратным клапаном 4, ограничивающим зону 5 сжи- гания топливных смесей, подают через форсунму 6 смеси и воспламеняют их запальником 7. За счет рез- кого увеличения давления газов 8 при воспламенении смесей в замкнутом объеме 5 обратный клапан закры- вается, а нагретые газы через стенку 9 скважины устремляются в упрочняемый массив грунта 10, причем давление падает и обратный клапан 4 открывается. Характер влияния избыточного давления на показа- тель термограммы К учитывают в расчетах (рис. 6.3). Как видно из (6.1), интенсивность процесса возрастает с увеличением температуры нагретых газов. Однако такая возможность ее повышения, как уже было отме- иено, ограничена пределами спекания грунта в стен- ках нагревательных скважин и при установившемся режиме термоупрочнения грунтов не превышает 950 -- 1050°С. Вместе с тем, в начальный момент, когда сква- жинз выводится на рабочий режим, газы входят в грунт с температурой 1500 一 1800℃. На использова- нии этого явления разработан способ термоупрочнения
грунтов с многократным нагреванием и охлаждением стенок скважин (рис. 6.4), который создает большой градиент температур и включает следующие опера- ции工 Скважина /, загерметизирована затвором 2 с форсункой 3. После зажигания топливных смесей стенки 4 скважины равномерно нагревают до температуры на 30 -- 50℃, ниже начала спекания грунта. Затем увеличивают содержание воздуха в топливной смеси и охлаждают стенку до температуры 500 -- 600°С, равной температуре воспламенения смесей. После этого вновь уменьшают подачу воздуха до 0,267 м3/МДж, что достаточно для полного сгорания топливных смесей, и поднимают температуру газов в зоне факела, пока стенка не нагреется до предельно допустимой температуры. Процессы нагревания-охлаждения стенки продолжают и повторяют многократно, пока расчетная температура не достигнет контура внешней границы 5 упрочняемого массива грунта 6. Такая технология не только увеличивает температуру нагретых газов, но и способствует перераспределению тепловой энергии, аккумулированной ближними к скважине объемами грунта.
Для способа спекания грунтов характерны два недостатка. В процессе заполнения ствола расплавом приходится непрерывно регулировать длину факела или поднимать погружные нагреватели, ввиду сложности извлечения их из скважины после заплавления ствола. Кроме того, в результате стекания расплавленного грунта в ствол вверху него образуются полости, которые заполняют потом инъекцией в грунт твердеющих материалов. Технология одного из способов (рис. 6.5) позволяет устранить эти недостатки. В скважине 1 соосно монтируют перфорированный трубопровод 2 с зазорами 3, на внешней стороне которого располагают перфорированные трубы 4 для подачи сжатого воздуха в затворы 3, которые затем заполняют графитопесчаной смесью 5 и, после монтажа затвора 6 с форсункой 7, сжигают горючие смеси, а в зазор через трубы 4 от компрессора 8 нагнетают сжатый воздух. Момент на-
Рис. 6.6. Способ армирования грунта в стенках нагревательных скважин
гревания грунта на внешнем контуре 9 массива упрочняемого объема 10 фиксируется показаниями термопар 11 с самопишущими приборами /2. После этого скважины разгерметизируют, извлекают трубопроводы и термостойкий материал, а ствол заполняют, например бетоном с армированием его по контуру стенки или без него. Термостойкий материал позволяет создать разность температур между стенкой скважин и нагретыми газами до 400 -- 600℃, что не только интенсифицирует процесс теплообмена, но и сокращает расход воздуха.
Одной из наиболее проблемных тем исследования метода является разработка способов термического упрочнения грунтов с целью создания конструкций, воспринимающих растягивающие напряжения, возникающие в несущих термогрунтовых элементах (рис. 6.6)-.
В скважину / опускают арматурный каркас 2, с помощью вдавливающего пуансона втапливают его в стенку 3 с образованием защитного слоя 4. Затем поверхностный слой грунта в стенке скважины уплотня-
* А.с. № 927900 СССР, МКИ‘ EO2D 3/11. Способ термического укрепления грунта. Бюлл. изобр. № 18, 1982,
108
ют механическим лидером с большим, чем скважина, диаметром и монтируют электронагреватель 5, фиксируя его нижним диском 6. Пространство между стенкой и нагревателем заполняют термостойким материалом 7 с температурой спекания 1800 — 2000℃ и закрепляют нагреватель верхним диском 8. После этого подключают нагреватели к источнику питания через трансформаторы и спекают грунт /0 до расчетной границы 11. Термостойкий материал в данном способе обеспечивает равномерное спекание грунта по всей высоте ствола, отвод испаряющейся воды в атмосферу и многократное использование нагревателей, так как их извлечение из скважины не вызывает затруднений ввиду рыхлого состояния термостойкого заполнителя. Уплотнение грунта в стенках увеличивает его теплопроводность, что сокращает длительность процесса.
Из (6.1) видно, что на скорость процесса оказывает влияние площадь внутренней поверхности нагревательных скважин. Для ее развития предложено несколько способов, например имеющие технические решения, основанные на образовании в стенках скважин вертикальных и горизонтальных прорезей, которые после окончания термического упрочнения грунтов заполняются твердеющими растворами.
В практике инженерного строительства распространены работы по укреплению откосов на склонах гор и косогорах. Один из способов, разработанных для этих целей (рис. 6.7)*, предусматривает скважины /ив узлах пересечения оси 2 с поверхностью скольжения 3 призм обрушения грунта 4 сферические уширения 5. После монтажа затворов 6 с форсунками 7 топливные смеси сжигают в уширениях, пока расчетный контур 8 не заполнится термоупрочненным грунтом 9. Сферические уширения и образующаяся в результате форма упрочненного массива соответствуют характеру действующей нагрузки со стороны призмы обрушения. Увеличение расстояния в сфере от стенки скважины создает условия для возрастания температуры нагретых газов, снижая расход воздуха и длительность процесса.
Для образования термогрунтовых опор предложен способ укрепления грунтов, использующий энергию
决 А.с. № 914718 СССР. MKH^ EO2D 3/11. Способ термического укрепления грунта. Бюлл. изобр. № 11, 1982.
Рис, 6.8, Спекание грунтовых смесей в стволах с устройством скважин буровзрывным способом
взрыва удлиненных зарядов (рис. 6.8). Вначале бурят шпур диаметром 4-6 см на заданную глубину 2, расширяют его взрывом удлиненного заряда и добури- вают скважину до отметки 4, заглубляя ее в опорный горизонт и образуют уширение 5. Факел 6 поднимают по стволу от отметки 2, оплавляя грунт в стенках 7 скважины. Затем из бункера 8 загружают ствол смесями грунта с топливом и легкоплавкими добавками, за- плавляя скважину расплавом 9 до проектной отметки /0. Уплотнение стенок увеличивает коэффициент теплообмена Ка, сокращает тепловые потери в окружающий массив грунта. Заделка в более прочный слой грунта увеличивает несущую способность термогрунтовой конструкции.
Для ускорения пррцессов фильтрации нагретых газов в массив грунта хорошие результаты показали способы, позволяющие за счет устройства вспомогательных скважин вокруг основной, интенсифицировать процессы, используя спирали и цилиндры из разрыхленного грунта. Так, способ (рис. 6.9 -- 6.12) осуществляется следующей совокупностью операций Вокруг нагревательной скважины 1 образуют вспомогательные скважины в виде спиралей 2 или цилиндров из разрыхленного грунта 3. Витки спирали располагают в объеме упрочняемого грунта 4 на некотором расстоянии от его внешней границы 5, чаще равном половине шага спирали. Верх спиралей герметизируют патрубком 6 с вентилем 7, а скважину затвором 8 с форсун-
кой 9. Факел 10 опускают ниже затвора. Нагретые газы, фильтруясь в грунт, попадают в полость спирали и вместе с парами воды выпускаются в атмосферу или сборник через вентильный патрубок 6. Разрыхленные цилиндры выполняют большим в 1,2 -- 1,4 раза диаметром по сравнению с диаметром нагревательной скважины. Для ускорения процесса фильтрации нагревательных газов в стенках скважин 11 выполняют отверстия с помощью штырей 12 и пуансона 13. Отверстия 14 делают с наклоном, обеспечивающим развитие скоростного напора при нагнетании нагретых газов.
Для изготовления протяженных термогрунтовых конструкций в виде ограждений или стен предложен способ смыкания термогрунтовых цилиндров- вытягиванием в плане (рис. 6.13), в котором нагнетание нагретых газов в грунт ведут через одну скважину, создавая в смежных вакуум. Это позволяет более эффективно использовать термогрунтовые цилиндры, вытягивая их в эллиптические формы, в которых длинная полуось становится больше расчетного радиуса термоупрочнения грунта и смыкание смежных образований идет более интенсивно и с меньшими затратами сил и средств.
Предложены и другие технические решения, способствующие интенсификации процессов на базе использования объективных закономерностей, управляющих ими, в интересах повышения эффективности метода, которые можно условно классифицировать по трем основным направлениям. Первое относится к увеличению тепловой мощности нагревательных скважин. Определяющие факторы этого направления: избыточное давление, температура нагретых газов, форма и размер скважин, пористость грунта в стенках, обобщенный коэффициент теплообмена кондукцией и радиацией, разность температур стенки и газов. Второе направление касается уменьшения сопротивления грунтового массива, распространению в нем расчетных температур за счет уменьшения влажности грунта до начала термообработки, совокупности нагревательных и вспомогательных скважин с использованием избыточного давления и вакуума в них, перераспределения температурного поля в массиве. Наконец, к третьему
* А.с. № 914714 СССР, МКИ3 EO2D 3/11, EO2D 3/10, EO2D 29/02. Способ образования подпорной стенки в грунте. Бюлл. изобр. № 11, 1982.
Рис. 69 Схема перфорирования стенок скважин пуансонами
Рис. 6.10. Образование вокруг скважин цилиндров КЗ разрыхленного грунта
Рис. 6.12. Способ термоукрепления грунтов с использованием вспомогательных спиральных скважин
Рис. 6.11. Схема размещения цилиндров из разрыхленного грунта в плане
направлению можно отнести комплексную интенсификацию процессов термического упрочнения грунтов, в котором рационально используются позитивные стороны первых двух направлений с учетом реальных геотехнических условий строительных площадок и путем оптимизации известных способов по основным значимым критериям. Некоторые сведения по этим направлениям сведены в табл. 6.1.
К основным критериям оптимизации процессов относятся расход тепла и воздуха, так как согласно (3.8) и (3.9) длительность процесса обратно пропорциональна скорости, а последняя в соответствии с (6.1) находится в такой же зависимости от затрат тепла. Следовательно, оптимизация процессов по расходу тепла равносильна использованию критерия длительности. При этом расход воздуха практически зависит от расхода тепловой энергии и им определяется.
Область практического применения метода
Метод термического упрочнения грунтов, как и другие методы искусственного преобразования грунтовых сред, не является универсальным и имеет свою область практического применения, ограниченную некоторыми пределами. Эти пределы определяются двумя основными условиями. Первое из них заключается в технических возможностях его различных способов по созданию термогрунтовых массивов, конструкций и строительных материалов. Второе же условие определяется экономической целесообразностью выполнения термогрунтовых образований, конкурентоспособностью по сравнению с другими методами.
Можно назвать основные области практического применения метода в интересах инженерного строительства. К ним относятся: образование защитных ограждений для заглубленных сооружений до разработки грунта с устройством их вплотную со стенками сооружений или же с оставлением пазух; создание обделок горизонтальных и вертикальных выработок с размещением нагревательных скважин по их несущему контуру и смыканием термогрунтовых цилиндров на расчетную толщину; устройство различных защитных экранов, используемых в качестве противофильтраци- онных завес или податливых прослоек, уменьшающих воздействие сейсмических волн; укрепление грунтов в 772—8
Направление интенсификации
Краткая характеристика способов термического укрепления грунтов
Авторское свидетельство СССР, класс, бюллетень, год опубликования
Увеличение тепловой мощности нагревательных скважин
Повышение избыточного давления в нагревательных скважинах. Воспламенение горючих смесей в ограниченном объеме. Увеличение температуры нагретых газов. Многократное нагревание и охлаждение стенок. Обжиг и спекание грунтов и их смесей через термостойкий заполнитель нагревательных скважинах. Р1звнтие внутренней поверхности скважин. Вертикальные и секторные прорези, уширение ствола взрывом с добуриванисм пяты, несколько уширений по высоте ствола. Увеличение теплообмена кондуктив- ным путем. Расплав грунтовых смесей в подвижных кольцевых камерах в стволах скважин и их заполнение. Оплавление стенок скважин и последующая их перфорация
№ 617 5 20, £02/)3/10, № 2 8, 197 8 № 850802, E02D 3/11, № 28, 1981 № 1143803, £O2D3/11,№ 09, 1985 № 842130, £О2ДЗ/11, № 24, 1981 № 1098997,£0ZD3/ll,№ 23, 1984 №914718, ЯО2РЗ/11, №11,1982 № 927901, £02d 3/11, № 18, 1982 № 1006607, £02D 3/11, № 23, 1983 № 1028774, £02D 3/11, № 26, 1983 № 1339200, £020 3/11, № 35, 1987 № 1344863, £020 3/11,№ 38, 1987 № 1390300, £02D 3/11,№ 15, 1988
Уменьшение сопротивления массивов грунта
Вспомогательные полости и прорези вокруг нагревательных скважин. Рыхление грунта, его вибрирование. Заполнение вспомогательных скважин смесями грунта с топливом. Создание внутренних источников тепловой энергии в массивах, введение интенсифицирующих добавок, нагнетание в грунт тонкомолотых извесги, кремнезема, углекислых солей. Ускорение процессов обезвоживания массивов, нароизоляция дневной поверхности, гидроизоляция стенок вспомогательных скважин. Вакуумирование грунтов
№ 538094, EDZD 3/14, № 45, 1976
№ 837997,£O2D3/11, 5/20, № 22, 1981
№ 1139799, £02,D 3/11, № 06, 1985
№ 1325131, £02,£)3/11, № 27, 1987
№ 1362779, E02D 3/11, №48, 1987
№ 1418414, £02D 3/11, № 31, 1988
№ 1430462, EO2D3/11, № 38, 1988
№ 1435701,^02。3/11, №41, 1988
Комплексная интенсификация процессов теплообмена
Учет формы и размеров зданий и сооружений, вида внешней нагрузки. Образование ослабленного слоя-экрана вокруг подземной части. Эллипсоидная форма термогрунтовых тел. Горизонтальные скважины по контуру подземного сооружения с перфорацией стенок скважин. Наклонные скважины с увеличивающимся по глубине уширениями, выполненными удлиненными зарядами взрывчатых веществ. Сваи-оболочки из обожженных грунтов с заполнением стволов железобетонными конструкциями и заплав- лением уширений расплавами грунтов. Создание термогрунтовых массивов по форме и прочности, соответствующими
№ 850803, E02D 3/11, № 28, 1981
№ 910929, Е02。3/11, № 09, 1982
№ 914714, E02D 3/10, 3/11, 29/02, № 23, 1982
№ 1035131, Е02,方3/11,3/12, №30.
№ 1120062, E02D 3/11, № 39, 1984
№ 1193233, £0^D3/ll, 7/00, № 43, 1985
№ 1048053, £O2D3/11, № 38, 1983
№ 1188241,£O2D3/11,№40, 1985
№ 1337475, EO2D3/11, № 34, 1987
напряженному состоянию под нагрузкой. Армирование стволов и стенок с заплавленисм скважин расплавами грун- тов и их смесей. Одновременный обжиг массива по всей высоте скважин без разбивки на заходки. Сжигание смесей в центре скважин с направлением факела вниз и вверх. Буре- ние скважин вокруг существующих опор, заполнение ство- лов твердеющими материалами. Пригрузка дневной по- верхности. Охлаждение нагретых массивов жидкими аген- тамн. Перераспределение тепла в массиве. Утилизация.
№ 1350250, £027)3/11, №41, 1987 № 1361247, £02£> 3/11, № 47, 1987 № 1390299, £027)3/11, № 15. 1988 № 1401109, £027)3/11, № 21,1988 № 1418414, E02Q3/ll,№31, 1988 № 1430459, E02Q 3/11, № 38, 1988 № 1435705, EQ2D 3/11, № 41, 1988
Рис. 6.13. Способ образования термогрунтовых подпорных стен
/, 2, 3, — послойное удаление грунта после образования подпорной стенки
пазухах котлованов и в обсыпке котлованных хранилищ и емкостей для жидкостей и газов; образование подпорных стен и укрепление откосов выемок и насыпей с использованием камуфлектных уширений и без них; укрепление оползневых склонов гор и косогоров при размещении или реконструкции на них зданий и сооружений; устройство термогрунтовых фундаментов и отдельных опор в сочетании с бетонными и железобетонными конструкциями； укрепление оснований зданий и сооружений из просадочных грунтов и ликвидация пучинных свойств глинистых поверхностных отложений; изготовление строительных материалов в виде камня, щебня и крупного песка упрочнением предварительно разрыхленных грунтов в массивах и отвалах. 』
В зависимости от цели термической обработки грунтовых массивов и реальных условий ее реализации рекомендуются различные технологические режимы работ. Наиболее предпочтительны режимы максимального избыточного давления в нагревательных скважинах в сочетании с вакуумированием вспомогательных скважин, высоких температур в скважинах с минимальным расходом воздуха и большим градиентом температур стенок скважин и нагретых газов. Эти режимы отличаются нестационарностью, изменением количества передаваемой в массивы грунта тепловой энергии с увеличением ее во времени. Используемый в настоящее время наиболее часто режим постоянного
расхода топлива и электрической энергии вызывает снижение потенциальных возможностей нагревательных скважин, так как скорость фильтрации нагретых газов возрастает по мере удаления из массива содержащейся в нем влаги и увеличения пористости грунта.
Можно отметить перспективность применения метода при новом строительстве и реконструкции зданий и сооружений, осуществляемом хозяйственным способом, в частности на действующих предприятиях, в колхозах и совхозах, строительно-монтажные работы в которых выполняются собственными силами без привлечения подрядных организаций. Простота технологии и оборудования позволяют сделать это после предварительного краткосрочного обучения операторов и инженерно-технического персонала, предназначенного для производства работ и технического надзора за ходом строительства и реконструкции.
Производственный опыт термического укрепления грунтов
Если говорить об укреплении грунтов в целом, то можно условно выделить три принципиальных схемы технологического воздействия на них. Одна из схем предполагает уплотнение грунтов, т.е. изменение их прочностных свойств за счет уменьшения объема порового пространства, при котором сокращается и общий объем укрепляемого массива. Ко второй -- относятся технологии, достигающие прироста прочности путем увеличения плотности заполнением пор и трещин другими материалами. При этом общий объем укрепляемого грунта практически остается без изменения. Наконец, третья схема предусматривает увеличение прочностных свойств грунтов за счет повышения связей между частицами и их агрегатами без заметного изменения объема. Именно к этому относится метод термического укрепления грунтов. Разумеется, возможны и различные комбинации таких технологических процессов.
Внедрение способов термического укрепления грунтов в жилищное и промышленное строительство началось с ликвидации аварийной просадки фундамента под газовую турбину Запорожского масложиркомбината. Работы были выполнены трестом Запорожстрой и
ЮжНИИ, который впоследствии был переименован в Харьковский ПромстройНИИпроект. Лессовые грунты основания относились к I типу, скважины проходились на 5 м, сжигалось соляровое масло по всей высоте скважин, герметизация которых осуществлялась вверху специальными керамическими затворами с металлическими крышками. В результате выполнения термоукрепления грунта просадки прекратились. Стоимость работ составила около 12 руб/м3 укрепленного в основании грунта.
В последующие годы под руководством Промстрой- НИИпроекта силами Запорожстроя, Днепровскпромст- роя, Дзержинскстроя, Никопольстроя, Харьковпромст- роя, Запорожского Облммунхоза, Минстроя Молдавской ССР, Ворошиловградпромстроя осуществлены работы на 84 объектах. Из них можно выделить 6 дымовых труб высотой от 35 до 100 м, в лессовых грунтах I и II типа по просадочности, с сжиганием как солярового масла, так и коксового газа в стволах скважин глубиной 6 — 8 м. Трубы до настоящего времени находятся в удовлетворительном эксплуатационном состоянии. Стоимость работ составила 10 -- 12 руб/м3. Достойным внимания является и укрепление 12 м слоя грунта в основании кольцевых нагревательных печей № 1, 2 в цехе № 3 Никопольского Южно-трубного завода. К сожалению укреплению подвергли не всю просадочную толщу, однако при замачивании укрепленных массивов грунта в объеме 782 м3 фундаменты под печи дали равномерную осадку. На этом объекте сжигалось соляровое масло, а нагревательные скважины обрабатывались по две заходки по высоте. Стоимость работ также не превысила 12 руб/м3. Заслуживает изучения и опыт укрепления просадочных I типа грунтов в основаниях фундаментов высотной части жилых домов № 234, 235 по проспекту Ленина в г. Запорожье в виде цилиндрических опор диаметром 2 м на глубину 8 м, имеющих несущую способность 120-180 тс. В со* ставе объектов можно отметить также трубчатую печь цеха Запорожского коксохимзавода, этажерки под точную аппаратуру смолоразгонного цеха этого же завода, цементные силосы бетонного завода Запорожского комбината мСтройдеталь*\ котел № 8 ТЭЦ Баглейского коксохимзавода,башню пожарного депо в г. Днепропетровске, Насосно-фильтровальную станцию Верхне- Днепровского крахмалопаточного комбината, зданий
Запорожской областной типографии, две школы, кино- » театр, 8 жилых домов от 4 до 12 этажей, Запорожский дом одежды и универмаг "Украина”, а также спортивный корпус с плавательным бассейном, Запорожский тубдиспансер, поликлинику завода Азовкабель. В работах использовались соляровое топливо, природный газ. Глубина скважин до 16 м, диаметр термогрунтовых опор 2 -- 2,2 м, несущая способность их 120 - 190 тс. Стоимость термоукрепления в пределах отмеченной ранее. Особо следует отметить проектирование и производство работ по устройству вертикальных термогрунтовых откосов котлованов, отрываемых вблизи нагруженных фундаментов, в блоке цехов Ворошиловград- ского трубопрокатного завода им. Якубовского, в котором наряду с Харьковским ПромстройНИИпроектом и трестом Ворошиловградпромстрой принимал участие запорожский филиал НИИСК Госстроя СССР. Всего было укреплено при этом свыше 4000 м3 грунта через скважины глубиной 4 — 8 м, с сжиганием природного газа. Максимальный диаметр укрепленных массивов достигал 6 м, упрочненный грунт показал расчетное сопротивление сдвигу 2—6 гкс/м2, что надежно обеспечило устойчивость термогрунтовых откосов. Продолжительность обработки скважин составила до 6 сут. В ходе этих работ было сэкономлено 1200 т металлического шпунта, который предназначался первоначально для крепления стенок котлованов и практически не мог быть извлечен для повторного использования. Контроль качества кроме измерения температурных полей системой термопар был достигнут вскрытием контрольных скважин, а затем испытанием упрочненного грунта после отрывки котлованов. Отличительными были и грунтовые условия, так как в зоне работ залегали мергелистые и иловатые суглинки. Стоимость работ составила 6 -- 8 руб/м3.
Таким образом, под руководством Харьковского ПромстройНИИпроекта освоены способы термоукрепления грунтов, преимущественно лессовых просадочных I и II типов, в интересах образования термогрунтовых массивов, опор и верти кал ьн ы х откосов (рис. 6.14). Длительность процесса составила в среднем около суток на метр активной глубины нагревательных скважин. Сжигание жидкого и газового топлива осуществлялось в загерметизированных скважинах (схема
метода термического упрочненияметода термического упрочнениягрунтова …защитные ограждения; б - обделки горизонтальных и вертикальных выработок; в - защитные экраны; г — упрочнение грунта в пазухах и засыпке котлованов; d - подпорные стены и откосы; е - оползневые склоны гор и косогоров; ж - фундаменты и опоры; з - основания в просадочных грунтах; и - термогрунтовые строительные материалы; I - нагревательная скважина; 2 - камуфлетное уширение; 3 - обожженный и сплавленный грунт; 4 - разрыхленный грунт; 5 - энергопоглощающая прослойка; 6 - железобетон; 7 — сооружение; 8 - котлован; 9 - линия скольжения призмы обрушения грунта; 10 - компрессор; 11 - емкость с топливом; 12 - трубопроводгрунтова …защитные ограждения; б - обделки горизонтальных и вертикальных выработок; в - защитные экраны; г — упрочнение грунта в пазухах и засыпке котлованов; d - подпорные стены и откосы; е - оползневые склоны гор и косогоров; ж - фундаменты и опоры; з - основания в просадочных грунтах; и - термогрунтовые строительные материалы; I - нагревательная скважина; 2 - камуфлетное уширение; 3 - обожженный и сплавленный грунт; 4 - разрыхленный грунт; 5 - энергопоглощающая прослойка; 6 - железобетон; 7 — сооружение; 8 - котлован; 9 - линия скольжения призмы обрушения грунта; 10 - компрессор; 11 - емкость с топливом; 12 - трубопровод
метода термического упрочнения
метода термического упрочнения
грунтов
а …защитные ограждения; б - обделки горизонтальных и вертикальных выработок; в - защитные экраны; г — упрочнение грунта в пазухах и засыпке котлованов; d - подпорные стены и откосы; е - оползневые склоны гор и косогоров; ж - фундаменты и опоры; з - основания в просадочных грунтах; и - термогрунтовые строительные материалы; I - нагревательная скважина; 2 - камуфлетное уширение; 3 - обожженный и сплавленный грунт; 4 - разрыхленный грунт; 5 - энергопоглощающая прослойка; 6 - железобетон; 7 — сооружение; 8 - котлован; 9 - линия скольжения призмы обрушения грунта; 10 - компрессор; 11 - емкость с топливом; 12 - трубопровод
грунтов
а …защитные ограждения; б - обделки горизонтальных и вертикальных выработок; в - защитные экраны; г — упрочнение грунта в пазухах и засыпке котлованов; d - подпорные стены и откосы; е - оползневые склоны гор и косогоров; ж - фундаменты и опоры; з - основания в просадочных грунтах; и - термогрунтовые строительные материалы; I - нагревательная скважина; 2 - камуфлетное уширение; 3 - обожженный и сплавленный грунт; 4 - разрыхленный грунт; 5 - энергопоглощающая прослойка; 6 - железобетон; 7 — сооружение; 8 - котлован; 9 - линия скольжения призмы обрушения грунта; 10 - компрессор; 11 - емкость с топливом; 12 - трубопровод
II рис. 5.1) форсунками и горелками. Несущая способность термогрунтовых опор - 120 - 190 тс, стоимость 6 — 12 руб/м*・
Отличительной особенностью работ, выполняемых ВИА им. В.В. Куйбышева, является комплексное применение в сравнимых условиях всех известных способов сжигания топлив с одновременным применением электрической энергии с преобразованием ее в погружных термографитовых и стальных нагревателях для изготовления в грунтах несущих термогрунтовых конструкций котлованных сооружений. Работы выполнялись до отрывки котлованов в виде термогрунтовых стен в различных грунтах высотой до 9,5 м, обделок шахтных стволов и отдельных опор. Грунты — суглинки пылеватые и лессовидные, супеси, пески. Электронагреватели погружали в стволы скважин диаметром 0,2 — 0,3 м и изготавливали из сталей типа ОХ- ЗОЮ5А, термографитовых стержней диаметром 0,1 м. Напряжение 24 — 36 В, сила тока до 2 000 — 2 5 000 А. Для возможности многократного использования нагревателей при спекании в скважинах грунтов между стенками и нагревателями пространство заполняли термографитовой крошкой, крупным кварцевым песком или мелким гравием, имеющими более высокую температуру спекания и плавления по сравнению с окружающими скважины грунтами. Спекаемые грунты армировали сталью. Использовали трансформаторы АОМК 100/0,5; ОСУ 80/0,5; СТЭ-24 и регуляторы РСТ- 24. Всего было выполнено 12 различных сооружений типа командных пунктов и убежищ, обделок 'шахт, подпорных стенок. Общий объем упрочненного в конструкциях грунта составил 2640 м3, расчетная себестоимость --16,26 -- 36,80 руб/м3. Были выполнены также работы по устройству автодороги длиной 0,96 км с шириной проезжей части 6 м в Красноярском крае, а также укреплению опытных подпорных стен, опор, обделок в натурных условиях.
Укрепление откосов выемок и насыпей в интересах железнодорожного строительства ведет Хабаровкий институт железнодорожного транспорта. Были выполнены работы по укреплению земляного полотна на Дальневосточной, Забайкальской и Красноярской железной дорогах в объеме 30 тыс. м3 грунта. Укрепление грунтов осуществляется через скважины глубиной до 6 — 8 м с сжиганием дизельного топлива. Грунты — пылеватые глины, суглинки и супеси. Продолжительность процесса 24 - 36 ч/м8, расход топлива 20 - 30 кг/м8, сметная стоимость не превышает 10 руб/м8.
Термическое укрепление глинистых и лессовидных грунтов в регионах Кавказа, Крыма, в Ростовской и Ленинградской областях, Мордовской АССР выполнял МИСИ им. В.В. Куйбышева совместно с управлениями Краснодаркрайсельстрой, Ставропольсельстрой, Рост- сельстрой, Мордовского Промстроя, К ры мсел ьстроя, Главзапстроя. В общей сложности укреплены основания и фундаменты под 52 здания и сооружения преимущественно сельскохозяйственного назначения в том числе биофабрики, овцекомплексы, склад ГСМ, водонапорные башни, техникум, жилые дома, мастерские. Использовалось жидкое топливо, скважины глубиной до 8 м, диаметром 0,1 -- 0,2 м. Грунты — глинистые и лессовидные супеси, суглинки и глины. Разработаны устройства и способы, в том числе для газификации твердого и жидкого топлива, проведены натурные испытания несущей способности термоупрочненных свай и опор, газопропускной способности скважин в различных грунтах, заплавление стволов грунтами и их смесями. Расход жидкого топлива для обжига и плавления грунтов не превышает 28 -- 84 кг/м3, длительность процесса 0,5 — 1 сут/м скважины, сметная стоимость 8,32 -- 24,63 руб/м3 соответственно обожженного и сплавленного грунтов. Объем укрепленного грунта составил 44, 2 тыс. м3. Несущая способность термогрунтовых свай -- 20 -- 80 тс. Для работ использовали оборудование: компрессоры передвижные ДК-9, ПКС-6М, ВК-10; герметизирующие скважины, затворы местного изготовления; средства технического контроля системы термопар TXA-VIII(XIII) с пишущими приборами ЭПП-9, оптические пирометры ОППИР- 17(45), манометры пружинные ОБМ-1; буровые установки шнекового и роторного бурения, а для скважин глубиной до 2 м -- ручные буры.
Существенно расширяют область применения метода термического укрепления грунтов работы института Фундаментпроект по плавлению грунтов и их смесей в скважинах диаметром 0,4 -- 1,2 м и глубиной до 20 -- 30 м. Этим институтом выполнены работы и по укреплению оснований сжиганием в скважинах жидкого топлива. К числу достаточно сложных объектов можно отнести такие, как резервуар сырой нефти на 50 тыс. м3 в Грозном, вращающиеся печи Себряковского цементного завода. Большой опыт приобретен при производстве экспериментов на таких объектах, как глав-
ный корпус санэпидемстанции, производственный корпус автопарка на 200 автобусов, производственный корпус НПО Промавтоматика в Грозном, а также на складе клинкера Себряковского цементного завода, двух зданий детского сада-яслей, Дома культуры, 70- квартирного жилого дома. Сметная стоимость для обжига не превысила 10 руб/м3 укрепленного грунта, а при спекании 32 -- 63 руб/м3. Расчет экономической эффективности заплавленных термогрунтовых опор в сравнении с буронабивными сваями, согласованный с НИИЭС Госстроя СССР, показал снижение себестоимости на 39,55 руб/м3. Такие опоры-сваи прорезают просадочные толщи с опиранием на непросадочные подстилающие горизонты. Опыты показали, что несущая способность термогрунтовых столбов составляет: для вертикальных нагрузок при осадке 15 -- 22 мм от 50 до 125 тс; для горизонтальных нагрузок при осадке 8,2 -- 22,2 мм от 5,6 до 11,25 тс. В работах использовалось оборудование: для бурения станки СО-2, установки УГБ-50, ЛБУ-50; компрессоры передвижные и газодувки ТГ-50-1,9; стандартные измерительные приборы; различные устройства для герметизации скважин и сжигания в них топлива. Время на заплавление стволов -- около 1 ч/м глубины скважин.
Наибольший объем работ по термическому укреплению просадочных грунтов Украинской ССР за последние годы выполнен Запорожским отделением НИИСК Госстроя СССР. Общий объем укрепленного грунта -- 146,2 тыс. м3. Глубина скважин до 25 м, топливо -- газ, а также электрическая энергия ск использованием погружных спиральных электронагревателей из жаростойких сталей. В Запорожье выполнены работы по укреплению оснований корпуса трансформаторов и дросселей, корпуса металлоизделий, механосборочного корпуса Минавтопрома, корпуса Масложирпрома, корпуса 30 НИИСК, на обойно-кузовном цехе автомобилей, а также детского комбината, жилого 6-этажного дома и испытательного полигона. Укрепление грунтов- лессовидных просадочных II типа выполнено при новом строительстве и под деформируемыми зданиями. Кроме этого, произведены работы: по устройству подпорных стен цеха оцинкованных труб в Ворошиловграде и террасы № 2 Центрального бульвара в Запорожье; по укреплению откосов котлованов корпуса трансформаторов и дросселей в Запорожье и откосов
насыпи участка пути Юго-Западной железной дороги. Для термоукрепления грунтов через скважины глубиной более 10 -- 12 м работы выполнялись двумя заход- ками с герметизацией стволов на границе заходок специальными отсеками конструкции НИИСК. Технология работ по заходкам принципиально не отличается от ранее рассмотренной. Новым является применение электронагревательных элементов для обработки грунтовых толщ глубиной до 25 м отдельными заходками на высоту активной длины нагревателя* Такие работы были осуществлены при устранении деформаций в корпусе завода Минавтопрома, связанных с просадками основания из лессового II типа грунта. Повышенная влажность грунта, достигающая 23 -- 25%, затрудняла применение способа сжигания в скважинах газового или жидкого топлива. Были разработны устройства для электротермического закрепления грунта, включающие электронагревательный генератор, коаксиальный воздуховод-токопровод и герметизирующий скважину затвор. Спирали из железохромоалюминиевых сплавов диаметром 9 — 12 мм навивали на керамические трубки диаметром 0,12 -- 0,16 м в нарезные винтовые канавки. Высота заходки 5 м, диаметр укрепленного грунта 2 м, потребляемая мощность 50 кВт, питающее напряжение 40 В, сила тока -- от 400 до 1800 А, скважины имеют диаметр 127 -- 240 мм. Затворы винтового типа. Оборудование: печной трансформатор типа ТПО-100/43, ТПО-280/80, ОСЗ-250/0,5; автотрансформатор АОМКТ-100/0,5; газодувки ротационные 1А34-80-4А, 1А32-50-4А; токопроводы марки ПРГД, РГД; стандартные амперметры, вольтметры, расходомеры, манометры, потенциометры, термопары. Разработаны устройства для дистанционного управления и контроля. Температура нагревателей -- около 1300℃, температура в скважинах 600 -- 1000℃, избыточное давление сжатого воздуха 0,005 — 0,015 МПа, расход воздуха на скважину 20 м составил 300 -- 400 м3/ч. При этих параметрах и действующем токе, равном 1100 — 1350 А с питающим напряжением 27,5 — 33,5 В, на укрепление грунта вокруг скважины диаметром 1,5 -- 1,8 м потребовалось около 7 сут на заход- ку. Сравнительный анализ с аналогом — силикатизацией грунта приведен (табл. 6.2) по приведенным затратам в расчете на 1 м3 укрепленного в массиве грунта.
Электротермическое упрочнениеЭлектротермическое упрочнениеТаблица 6.2
Электротермическое упрочнение
Электротермическое упрочнение
Трудоемкость, чел.-дн.
0,748
0,139
Фондоемкость, руб.
3,44
2,42
Материалоемкость： жидкое стекло, кг
175
Энергоемкость, кВт-ч
207,7
Приведенные затраты, руб.
17,2
6,65
Показатель
Силикатизация
Следует отметить, что в этих расчетах стоимость электроэнергии принята по счетам местного отделения Минэнерго в размере 1,174 коп/(кВт ч), в других регионах она чаще всего будет выше.
Кроме перечисленных организаций термическим укреплением различных грунтов занимались и ряд других, в том числе ГПИ КрымНИИпроект, ВЗИСИ, Мордовский госуниверситет, Молдавский политехнический институт, МТИ им. А.Н. Косыгина.
В заключение книги необходимо отметить, что грунт является наиболее распространенным видом местного строительного материала, который имеется во всех случаях возведения и реконструкции зданий и сооружений. Применение различных методов искусственного преобразования природных свойств грунтов с целью использования их в качестве материалов, оснований и сред для возведения объектов и тем более для создания ограждающих и несущих конструкций из упрочненных грунтов следует считать безусловным достижением инженерной и научной мысли. Нет сомнения в том, что по мере развития науки и техники все больше и больше объектов будут возводиться на естественных основаниях с соответствующим упрочнением слабых грунтов, а большинство подземных строительных конструкций будет выполняться из упрочненных в массивах грунтов.
В этом отношении метод термического укрепления грунтов является одним из наиболее перспективных, что определяется его большими техническими возможностями и относительно высокой экономической эффективностью, подтвержденными результатами практического применения различных способов термического упрочнения грунтов при строительстве и реконструкции зданий и сооружений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Инструкции по расчету, проектированию н технологии изготовления термосвай (Миисельстрой УССР). - Киев, 1983.
Крутов В.И. Основания и фундаменты иа просадочных грунтах. -Киев: Будхвельиик, 1982.
Литвинов И.М. Укрепление и уплотиеиие просадочных грунтов в жилищном и промышлеииом строительстве — Киев: Будхвель- ннк, 1977.
Методические рекомендации по технологии термического закрепления просадочных лессовых грунтов иа глубину до 25 м. - Киев: НИИСК, 1983.
Методические рекомендации по технологии электротермического закрепления просадочных лессовых грунтов иа глубину до 25 м. - Киев: НИИСК, 1983.
Подъяконов В.С. Термическое упрочнение грунтов в основаниях зданий и сооружений. - М.: Стройлит, 1968.
Юрданов А.П. Глубинный обжиг грунтов с изоляз^ией дневной поверхности. Сб. тр. ЦНИИЭПсельстроя № 17, М., 1977.
Юрданов А.П. Технологические параметры глубинного обжига грунтов. Сб. тр. МИСИ № 167. - М.: МИСИ, 1978.
Юрданов А.П. Особенности глубинного обжига грунтов и перспективы его совершенствования // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1978 - № 6.
Юрданов А.П. Определение параметров термического укрепления грунтов и его экономической эффективности // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 197g. - № 5.
Юрданов А.П. Подпорные стены и откосы из обожженных связных грунтов // Промышлеииое строительство. - 1979. - № 3.
Юрданов А.П. Глубинный обжиг грунтов // Сельское строительство. -1980. - № 1.
Юрданов А.П. Термическая обработка грунтов и возможность ее применения в транспортном строительстве // Транспортное строительство. -1980. - № 12.
Юрданов А.П. Дополнительные требования техники безопасности к работам по термоупрочнеиию грунтов. Матер. Всесоюзн. со- вещ. - Каунас, 1982.
Юрдаиов А.П. Возможности метода термоупрочиеиия грунтов в интересах возведения и реконструкции зданий и сооружений： Межвузовский сб. научных трудов. - МТИ, 1984.
Юрданов А.П. Устройство коротких термогруитовых свай // Промышлеииое строительство. - 1978. - № 10.
Юрданов А.П. Сычев А.К., Степура И.В. Комбинированные сваи // Сельское строительство. - 1987. - № 10.
Юрданов А.П. Термическое упрочнение грунтов при реконструкции действующих предприятий // Промышленное строительство. -1987. - № 11.
Юрданов А.П. Современное состояние и перспективы развития метода термического укрепления грунтов. Изв. высш. учеб, заведений / Строительство и архитектура. 一 Новосибирск, 1987, № 12.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 3
Введение 5
Глава 1. Физико-механические свойства обожженных в массивах лессовидных и глинистых грунтов: 8
Изменение физик о-механических свойств связных грунтов при нагревании 8
Прочностные и деформационные свойства грунтов, термообработаниых в массивах и в лабораторных условиях 12
Минимальные расчетные температуры обжига грунтов.... 16
Изменение прочности обожженных грунтов во времени... 17
Опыты по армированию термогрунтов металлом 19
Примеры расчета 20
Глава 2. Тепловое поле внутри нагревательных скважин и их газопропускаая способность 21
Уравнение теплового баланса в нагревательной скважине 21
Температуры газов и стенки скважины 26
Тепловой дебит нагревательной скважины 31
Газопропускиая способность скважин 31
Примеры расчета 36
Глава 3. Изменение температуры и влажности грунта вокруг нагревательных скважин в процессе термического упрочнения грунтов 38
Характеристика миграции влаги вокруг нагревательных скважин в процессе термообработки грунтов 38
Распространение тепла вокруг цилиндрической скважины 41
Метод расчета технологических параметров 55
Примеры расчета технологических параметров 57
Глава 4. Несущая способность термогрунтовых массивов и конструкций 59
Изменение прочностных и деформационных свойств грунтов в термообработанных массивах 59
42 Приемы расчета термогрунтовых массивов на действие сосредоточенных сил и грунта 61
Результаты испытаний термогрунтовых конструкций 68
Примеры расчета термогрунтовых массивов и конструкций 74
Глава 5. Производство работ 75
Основные способы термического упрочнения грунтов 75
Оборудование для термического упрочнения грунтов 79
Состав проектных и изыскательскихработ 82
Производство работ 84
Контроль качества работ и техника безопасности 90
Технико-экоиомическая эффективность метода 93
Глава 6. Область применения метода. Направления его
дальнейшего развития и совершенствования 102
Пути интенсификации технологических процессов термического упрочнения грунтов 102
Область практического примеиения метода 1 13
Производственный опыт термического укрепления грунтов Н7
Список литературы 126
Научное издание
I Юр данов Х£8ерт Пав jipBiiT]
ТЕРМИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Мл. редактор И.В. Баранова Технический редактор Я В. Беринд Корректор Е.Р. Герасимюк Оператор £/. Жданова
ИБ № 5358
Издание подготовлено на персональном компьютере
Подписано в печать 05.10.90 Формат 84x108 1/32 Бумага офсетная №1. Печать офсетная Усл. псч. л. 6,72 Усл. кр.-отт. 6.93 Уч.-изд. л. 6,91 Тираж 4400 экз. Изд. № AVII1-3601 Заказ 772. Цена 1 р. 40 к.
Стройиздат 101442. Москва, Каляевская, 23а
Тульская гипо^афия Союзнолиграфпрома при Государственном комитете СССР по печати
300600, ГСП, г. Тула, пр. Ленина, 109
* А.с. № 842130 СССР, МКИ3 EO2D 3/11. Способ термического укрепления грунта. Бюлл. изобр, № 24, 1981.
НАУКА-СТРОИТЕПЬНОМУ ПРОИЗВОДСТВУ
Серия основана в 1975 году
А.П.Юрданов
ТЕРМИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ 「РУНТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Москва Стройиздат 1990
Юрданов А.П. Термическое упрочнение грунтов в строительстве. — М.: Стройиздат, 1990. —128с.: ил. --(Наука — строит.пр-ву).— ISBN 5-2 74^009 74-3
Наложены теоретические и экспериментальные основы метода термического упрочнения грунтов в практике капитального строительства. Обобщен опыт практического использования метода, определены пути его совершенствования и основные направления дальнейшего развития. Приведены примеры расчета и проектирования производства и Приемки работ.
Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.
Табл. 25, ил. 24, список лит.： 19 назв.
Печатается по решению секции литературы по инженерному оборудованию редакционного совета Стройиздата.
Рецензент - д-р техн, наук, проф. М.И. Сморо- динов.
Редактор - М.В. Степанова.
3304000000 — 358Ю 1G-90047(01)-903304000000 — 358Ю 1G-90047(01)-90© А.П. Юрданов, 1990© А.П. Юрданов, 1990
3304000000 — 358
Ю 1G-90
047(01)-90
3304000000 — 358
Ю 1G-90
047(01)-90
© А.П. Юрданов, 1990
© А.П. Юрданов, 1990
ISBN 5-274-00974-3