Главная страница

 

Термостабилизированная железобетонная свая

Авторы изобретения: И.С. Житомирский; А.А. Пристер

Авторы выражают искреннюю признательность Дмитрию Воробьёву, мастерски выполнившему рисунки.

Аннотация

    Железобетонная свая, демпфирующая сезонные температурные колебания и тем самым минимизирующая отрицательное воздействие на окружающий грунт в условиях вечной мерзлоты. Термодемпфирующий эффект достигается с помощью размещения внутри сваи контейнеров с термодемпфером – водой, мокрым торфом или другим веществом, обладающим низкой температуропроводностью, и обеспечением совершенного теплового контакта термодемпфера с бетоном и с продольной арматурой сваи.

 

 

Формула изобретения

   1. Железобетонная свая (см. Рис. 2b), отличающаяся от прототипа тем, что с целью увеличения скорости затухания термической волны в свае и уменьшения амплитуды сезонных колебаний температуры вдоль оси сваи забетонирован стек контейнеров с термодемпфером – веществом с возможно более низкой температуропроводностью, например, мокрым торфом, водой или любой насыщенной влагой неметаллической структурой с пористостью 60 % и более.

   2. Термодемпфирующая железобетонная свая по п. 1, отличающаяся тем, что с целью улучшения теплового контакта термодемпфера с бетоном при сохранении низкой тепловой проводимости вдоль оси сваи стенки контейнеров выполнены из тонколистового металла, например, из жести.

   3. Термодемпфирующая железобетонная свая по п. 1, отличающаяся тем, что с целью улучшения теплового контакта между термодемпфером и продольной стальной арматурой каждый контейнер вставляется в металлическую кассету, соединённую со стержнями продольной стальной арматуры поперечными стальными стержнями-распорками (см. Рис. 3).

   4. Термодемпфирующая железобетонная свая по п. 1, отличающаяся тем, что с целью компенсации раширения льда в контейнерах располагаются прокладки из эластично-податливого и долговечного материала , например, пористой резины, причём плоские прокладки для компенсации расширения вдоль оси сваи располагается на дне контейнеров, а прокладки для компесации расширения льда в поперечном направлении имеют крестообразное сечение и располагаются в диагональных плоскостях полостей контейнеров (see Figure 4). 

 

Описание

Вечная мерзлота и проблемы строительства

    Вечная мерзлота или многолетне мёрзлые горные породы – подстилающий грунт или порода, которая постоянно остаётся замороженной. Она подстилает большую часть поверхности арктической суши. Глубина вечной мерзлоты меняется от нескольких метров до многих сотен метров. В некоторых местах в Якутии с холодным континентальным климатом вечная мерзлота имеет место до глубин порядка 1500 м.

    Большинство биогеохимических и гидрологических процессов ограничено активным (сезонно оттаивающим) слоем, меняющимся по глубине от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Глубина сезонного оттаивания и температура мёрзлого грунта являются важными параметрами, которые должны учитываться при конструировании сооружений на вечной мерзлоте. Эти параметры контролируют ключевые холодовые процессы, такие как оползание, оседание при оттаивании, силу сцепления (связь между замороженным грунтом и погружённым в него материалом) и т.д. 

    Как можно прочесть в [http://www.acia.uaf.edu/PDFs/Ch16_Pre-Release.pdf]:

    “Many of the earth’s remaining oil and gas reserves are located in regions of the Arctic far from population centers. These areas include the North Slope of Alaska, the Canadian Arctic, northwestern Russia, and Siberia. The limited exploitation of these resources to date has relied primarily on pipeline systems to transport products to market. Future expansion of these pipeline networks is likely given the increasing demand for fossil fuels worldwide. Examples include the large gas pipeline projects currently under consideration to connect natural gas reserves in the Alaskan and western Canadian Arctic to southern Canada and the continental United States. Many of the current and anticipated pipeline routes cross extensive areas of continuous and discontinuous permafrost and require special design considerations.

    Transmission of oil through pipelines usually takes place at high temperatures because of high oil-well production temperatures and reduced pumping losses. The desire to keep the oil warm to limit viscosity and pumping costs is in direct conflict with the requirement to maintain the frozen state of the surrounding soil. If the pipeline is buried, no practical amount of insulation will prevent the warm oil from thawing surrounding permafrost, thus resulting in loss of strength, thaw settlement, and probable line failure. As a result, designers have relied on an elevated oil pipeline that is supported above the ground surface on some sort of pile foundation, thus limiting the possibility of permafrost thaw (see fig. 1).

 

Fig. 1

    A major shortcoming of this method is its reliance on the permafrost layer for structural support. The piles are embedded in the permafrost, as for a building foundation, and the adfreeze bond between the pile and the permafrost supports the load.

    The best-known example of an existing elevated arctic oil pipeline is the Trans Alaska Pipeline System (TAPS), which stretches 1280 km from Prudhoe Bay to the ice-free port of Valdez in southern Alaska. The northern sections, where permafrost temperatures are cold (lower than approximately -5 ºC), utilize non-refrigerated pile supports and a work-pad embankment designed to protect underlying permafrost. In the more southerly sections, where warmer discontinuous permafrost is encountered, the piles utilize a passive refrigeration system consisting of pairs of thermosyphons installed in each piling. More than 120000 thermosyphons are used. The thermosyphons are designed to ensure that any excess heat transported downward from the pipeline or entering the ground surface due to construction disturbance will not cause thawing of the permafrost where the piles are embedded”.

    Термосифоны, однако, могут быть размещены только с одной или двух сторон сваи и поэтому не могут обеспечить стабилизацию температуры со всех сторон. Кроме того, рабочее тело термосифона (обычно, аммиак) может циркулировать только зимой и становится неэффективным летом. Таким образом, хотя , установка термосифонов значительно удорожает строительство, они не могут полностью предотвратить процесс таяния и все его нежелательные последствия.   

    Предлагаемое изобретение позволяет получить полную тепловую стабилизацию сваи без использования искусственного охлаждения, даже если среднегодовая температура близка к нулю. При этом предполагается, однако, что отсутствуют какие-либо дополнительные источники тепла (например, связанные с отоплением помещений), кроме естественных источников окружающей среды.

    Для лучшего понимания смысла изобретения желательно ознакомиться с теплофизическими процессами, определяющими появление вечной мерзлоты и и её основные параметры – глубину сезонного оттаивания и температуру мёрзлого грунта. 

 

 

Прототип изобретения: обычная железобетонная свая

                      Нагрузка на сваи

    Трубопроводы и другие сооружения на вечной мерзлоте имеют обычно опоры со свайным фундаментом, состоящим из фундаментной плиты (ростверк) и нескольких железобетонных свай (Фиг. 1). Задачей свайного фундамента  является передача нагрузки от сооружения на достаточно прочный мёрзлый грунт. 

    Нагрузка на фундаментную плиту состоит из двух частей:

·        изгибающий момент (в случае трубопровода опрокидывающий ветровой момент), вызывающий в сваях продольные силы разных знаков – в одних сваях силу сжатия, а в других – выдёргивающую силу;

·        продольная сила (собственный вес сооружения + полезная нагрузка), вызывающая в каждой свае одинаковые усилия сжатия;

·        поперечная сила (в случае трубопровода – ветровая нагрузка), вызывающая в каждой свае перерезывающие силы и изгибающие моменты.

    В результате сложения сил, вызванных первой и второй частью нагрузки, оказывается, что при достаточно сильном ветре одни сваи оказываются сжатыми значительно больше, чем в безветренную погоду, а другие стремятся выдернуться из грунта. При этом, поскольку направление ветра может меняться, каждая из свай может в разные моменты времени работать как на сжатие, так и на выдёргивание.

 

         Требования к конструкции железобетонной сваи

    Конструкция сваи (см. Фиг. 2) должна обеспечить решение следующих задач.

·        Надёжное опирание на грунт при сжатии – с этой целью площадь поперечного сечения сваи А выбирается настолько большой, чтобы давление на грунт не превышало допустимого, зависящего от типа и температуры грунта (приемлемую прочность имеет только постоянно мёрзлый грунт).

·        Надёжное сцепление с грунтом при выдёргивании сваи – для этого площадь боковой поверхности А_lateral сваи выбирается настолько большой, чтобы касательные напряжения в грунте не превосходили его сдвиговой прочности, зависящей от типа и температуры грунта (в летнее время здесь можно рассчитывать только на грунт, лежащий ниже зоны сезонного оттаивания).                                 

·        Прочность сваи при выдёргивании, т.е. при работе сваи на растяжение – для этого площадь поперечного сечения продольной стальной арматуры А_{longitudinal_reinforce} должна быть настолько большой, чтобы растягивающие напряжения в арматурных стержнях не превосходили допускаемых. Более того, поскольку бетон совсем не допускает растяжения, продольную арматуру перед бетонированием сваи предварительно натягивают, так что после бетонирования при отсутствии внешней нагрузки бетон оказывается сжат, а продольная арматура растянута. Поэтому при растяжении сваи стержни продольной арматуры ещё больше растягиваются, а в бетоне напряжения сжатия уменьшаются, но не доходят до растяжения.      

·        Прочность сваи при работе на сжатие – в случае предварительно натянутой продольной арматуры сжатие сваи уменьшает напряжения растяжения в арматуре и увеличивают сжатие бетона. Поэтому площадь поперечного сечения бетона А_concrete в свае должна быть настолько большой, чтобы напряжения сжатия в бетоне не превосходили допускаемых.                               

·        Прочность сваи при работе на срез и на изгиб, как под воздействием поперечной силы в период эксплуатации, так и в период строительства, когда свая перед погружением в грунт с помощью крана переводится из горизонтального положение в вертикальное и претерпевает изгиб под действием собственного веса – для этого должны быть достаточно большими как площадь сечения продольной и поперечной стальной арматуры, так и расстояние стержней продольной арматуры от нейтральной оси поперечного сечения.                  

    Удовлетворение первых двух требований, связанных с прочностью грунта и сцеплением сваи с грунтом, приводит к тому, что для применяемых обычно железобетонных свай квадратного сечения сторона квадрата b = 30 – 40 см, длина сваи l = 3-5 м, а для надёжного сцепления с грунтом не менее 2 м от общей длины находится ниже глубины сезонного оттаивания. При этом, поскольку при работе на сжатие бетон намного прочнее грунта, требование 4 прочности сваи при работе на сжатие выполняется обычно с большим запасом. Это обстоятельство даёт возможность убрать значительную часть бетона вблизи оси сваи и либо использовать вместо сплошной сваи полую (сваю-оболочку), либо заменить его другим материалом, полезным с точки зрения теплообменных процессов.

    Для получения нужного по расчёту сечения продольной арматуры используют от 4 до 20 арматурных стержней диаметром от 5 до 25 мм, которые располагаются в случае 4 стержней по углам, а при большем их количестве и по сторонам квадрата на расстоянии около 3 см от боковой поверхности сваи (на рис. 2а показан случай 4 арматурных стержней).

    Поперечная арматура обычно изготавливается из стальной проволоки и укрепляется на стержнях продольной арматуры (на рис. 2а поперечная арматура показана только в поперечном сечении).    

 

 

  

Фигура 2

                           Распространение термической волны в железобетонной свае

     Весь объём сваи подразделяется на две области, занятые соответственно бетоном и сталью. С точки зрения теплопередачи выделенные области могут рассматриваться как параллельные теплопроводы – бетонный и стальной. Эти теплопроводы обмениваются друг с другом теплом по боковой поверхности, а бетонный теплопровод обменивается теплом также и с окружающим грунтом.

     Ввиду различия свойств материалов, температура бетона Т_concrete и температура стали Т_steel в каждом поперечном сечении неоднородны, т.е. зависят не только от времени t и глубины z, но и от пространственных координат х и у в горизонтальной плоскости:

                                                                 Т_concrete = Т_concrete (x, y, z, t), Т_steel = Т_steel (x, y, z, t).

     Поэтому каждая из функций Т_concrete и Т_steel удовлетворяет трёхмерному уравнению теплопроводности

    C_concrete ∂T_concrete /∂t = ∂ (k_concrete ∂T_concrete /∂х)/∂х + ∂ (k_concrete ∂T_concrete /∂у)/∂у + ∂ (k_concrete ∂T_concrete /∂z)/∂z,      (17)

    C_steel ∂T_steel /∂t = ∂ (k_steel ∂T_steel /∂х)/∂х + ∂ (k_steel ∂T_steel /∂у)/∂у + ∂ (k_steel ∂T_steel /∂z)/∂z.                                        (18)

     Поскольку теплопроводность и теплоёмкость бетона (k_concrete, C_concrete) и стали (k_steel, C_steel) практически не зависят от температуры, уравнения (17) и (18), в отличие от уравнения (2), являются линейными.

     Так как свая имеет через стальную арматуру сильную тепловую связь с фундаментной плитой, а через её посредство и с имеющей развитую боковую поверхность стальной опорой, температура верхнего конца сваи близка к температуре воздуха. Иначе говоря, граничное условие условие (10) для обеих областей сваи можно заменить более простыми линейными соотношениями:

                                        Т_concrete (x, y, 0, t) = T_air (t ),                              (19)

                                         Т_steel (x, y, 0, t) = T_air (t ).                                 (20)

    Решение получающейся трёхмерной нестационарной задачи теплопроводности в системе свая-грунт может быть без особых проблем полученно численно, однако для исследования основных закономерностей, как всегда, желательно иметь аналитическое решение. Оценку глубины проникновения термической волны по железобетонной свае можно получить, рассмотрев предельный случай, когда бетонный и стальной теплопроводы полностью теплоизолированы как друг от друга, так и от грунта.

      В случае идеально изолированных по боковой поверхности теплопроводов температура в каждом из них не зависит от координат х и у, так что гармоническое разложение согласно формуле (14) является точным.

    Как следует из граничных условий (19), (20), для обоих теплопроводов можно считать, что β_i ≈ 1 и α_i ≈ 0. Таким образом,

              Т_{thermal conductor} (z, t) = Т_тean + G z + Σ Т*_i exp(-z/s_i) sin[2π(t – z/v_i – r_i)/τ_i],                     (21)

                                                                                        i

где параметры s_i и v_i в каждой из областей определяются свойствами соответственно бетона и  стали.  

 

Таблица 1. Параметры полностью изолированных теплопроводов

          Объёмная теплоёмкость| Teплопроводность | Teмпературопроводность|               р_i = 3s_i, м  для τ_i =    

                    MДж/( м³·K)          |          Вт/(м·K)         |                   м²/с                    |  1 год | 1 месяц | 1 неделя | 1 сутки                        _________________________________________________________________________________________________

Сталь                  3.6                                    46                               128·10^-7                           33          9.3            4.8           1.8

Бетон                  2.4                                   1.2                                 5·10^-7                      6.6         1.8             0.9           0.3

 

    Как мы видим в Таблице 1, в стальном полностью изолированном теплопроводе все термические волны с периодом большим или равным одной недели должны были бы проникать без заметного ослабления на всю длину сваи (на вечной мерзлоте обычно применяются сваи длиной 3-5 м), и даже волна с периодом τ_i = 1 сутки ощущалась бы на глубине, значительно большей глубины сезонного оттаивания для основных грунтов (см. Таблицу 3). Таким образом, случающиеся летом значительные кратковременные повышения температуры могли бы приводить к заметному подтаиванию грунта.   

    Для бетонного полностью изолированного теплопровода характерная длина s для главной гармоники в 5 раз меньше, чем для стального теплопровода, и в 1.2-2.6 раз больше, чем для основных видов грунта (см. Таблицы 2 и 3). Иначе говоря, термические волны затухают в бетонном теплопроводе в 5 раз скорее, чем в стальном, и 1.2-2.6 медленнее, чем в грунте.    

    В реальной свае термическая волна в стальной арматуре затухает скорее, чем в идеально изолированном стальном теплопроводе, т.к часть распространяющегося по стали тепла переходит в непосредственно прилегающие слои бетона. Иначе говоря, бетон оказывает демпфирующее влияние на распространение термических волн в стали. Степень такого демфирования можно было бы увеличить за счёт развития площади контактной поверхности, но даже при совершенном тепловом контакте с бетоном затухание термической волны не может быть большим, чем в полностью изолированном бетонном теплопроводе.

 

   Пример 1 – предельный случай совершенного теплового контакта между бетоном и стальной арматурой

    Рассмотрим те же, что и ранее, климатические условия (Т_тean = -5 °C, Т* = 15 °C) и предположим, что требованием прочности грунта и сваи удовлетворяет свая со стороной квадрата b = 40 см, расчётной площадью поперечного сечения продольной арматуры А_{longitudinal_reinforce} = 16 см², расчётной площадью поперечного сечения бетона А_concrete = 500 см² и расчётной площадью смерзания с грунтом боковой поверхности А_af = 3200 см², что при выбранном значении периметра поперечного сечения 160 см соответствует длине сваи не менее 2 м в зоне гарантированно мёрзлого грунта.

    Если бы удалось обеспечить совершенный тепловой контакт бетона и арматуры, то перепады температур в каждом сечении сваи были бы ничтожно малы. При этом эффективные термические свойства композита бетон-арматура определяются следующим расчётом.

Таблица 2.

_________________________________________________________________________________________________

            Объёмная теплоёмкость | Tеплопроводность |                                               Доля от                               | 

                       MДж/( м³·K)                   Вт/(м·K)            площади поперечного сечения |           объёма              | _________________________________________________________________________________________________

 

Бетон                  2.4                                    1.2                                        0.99                                    0.985

_________________________________________________________________________________________________

Сталь                  3.6                                    46                                         0.01                                    0.015

                                                                                             (только продольная арматура)      (вся арматура)  

_________________________________________________________________________________________________

 

Усреднённая по поперечному сечению сваи теплопроводность k_averaged = 1.2 X 0.99 + 46 X 0.01 = 1.65 W/(m·K) 

Усреднённая по объёму объёмная теплоёмкость C_averaged = 2.4 X 0.985 + 3.6 X 0.015 = 2.42 MJ/( m³·K)                               

Эффективная температуропроводность D_effective = k_averaged / C_averaged = 6.8·10^-7 m²/s

s = 2.6 м,         

d = s · ln Т* / | Т_тean | = 2.9 м.

 

 

   Недостатки конструкции прототипа

    Как видно из рассмотренного примера, даже самая оптимистическая оценка глубины сезонного оттаивания, которая была бы при идеальном тепловом контакте между бетоном и сталью, даёт величину 2.9 м, так что для обеспечения требуемого сцепления сваи с грунтом потребовалась бы длина сваи не менее 5 м. На самом же деле основная масса бетона находится достаточно далеко от арматуры и не оказывает на её температуру существенного влияния. Поэтому, поскольку продольная арматура располагается в непосредственной близости к боковой поверхности сваи, термическая волна в стали вызывает подтаивание грунта вблизи стержней продольной арматуры значительно глубже 3 м, а, возможно, и по всей длине сваи.

    Непосредственным практическим следствием этих термических процессов становится ослабление  сцепления сваи с грунтом, играющего определяющую роль при сопротивлению выдёргиванию сваи, а в некоторых ситуациях подтаивание грунта под нижним концом сваи и осадка свайного фундамента. Эти эффекты особенно ощутимы там где среднегодовая температура Т_тean ≥ -5 °С. Для их предотвращения обычно рядом со сваей устанавливаются термосифоны, подхолаживающие грунт вблизи сваи в зимнее время. Это заметно удорожает строительство, не давая при этом надёжной гарантии, т.к. результаты применения такой меры не поддаются расчёту.    

 

Предлагаемая конструкция: термодемпфирующая железобетонная свая

    Как мы видим, все проблемы, возникающие при использовании железобетонных свай на вечной мерзлоте, связаны с тем, что термические волны проникают по арматуре на порядок, а по бетону – в 2-3 раза глубже, чем в окружающем грунте. Мы видим также, что это более глубокое проникновение определяется тем, что температуропроводность бетона и, в особенности, стали значительно выше, чем у основных видов грунта. Таким образом, отрицательные явления, связанные с использованием железобетонных свай на вечной мерзлоте можно устранить, если выполнить следующие условия.

  1. Обеспечить низкую среднюю продольную температуропроводность сваи.

    Этого можно достичь, включив в конструкцию сваи контейнеры, содержащие достаточно большое количество термодемпфера – вещества с возможно более высокой объёмной теплоёмкостью и не очень большой теплопроводностью. Из природных веществ такую роль могут играть мокрый торф и вода, а из искусственных – любая насыщенная влагой неметаллическая структура с высокой пористостью (60 % и более).

  2. Обеспечить выполнение обычных требований к железобетонной свае – прочность грунта, прочность сваи, наличие сцепления сваи с грунтом.

    Это условие будет выполнено, если расположить контейнеры с термодемпфером по оси сваи и сохранить при этом:

·        продольную арматуру с площадью поперечного сечения А_{longitudinal_reinforce}, обеспечивающей прочность при растяжении в период эксплуатации и при изгибе в период строительства;

·        имеющий необходимую для обеспечения прочности на сжатие площадь поперечного сечения А_concrete слой бетона, непосредственно прилегающий к арматуре, т.е. именно тот слой, который оказывался предварительно сжатым предварительно растянутой продольной арматурой.

  3. Обеспечить отсутствие значительных перепадов температуры в поперечном сечении сваи.

    Чтобы не было прорыва тепла по стальной арматуре в обход контейнеров с термодемпфером, нужно создать по возможности хороший тепловой контакт термодемпфера со стальной арматурой и бетоном.

    Термодемпфер-бетон. Хороший тепловой контакт термодемпфера с бетоном может быть гарантирован при использовании для стенок контейнеров тонколистового металла, например, жести (см. Фиг. 3). В этом случае большая площадь контакта и тонколистовой металл стенки контейнера обеспечивают низкое термическое сопротивление в направлении поперёк стенки и одновременно высокое термическое сопротивление для теплового потока вдоль стенки. Последнее означает, что наличие металлической стенки контейнера лишь незначительно увеличит эффективную продольную теплопроводность сваи. 

    Tермодемпфер – продольная арматура. Ещё более важно обеспечить хороший термический контакт между термодемпфером и продольной стальной арматурой. Эта цель может быть достигнута тем, что каждый контейнер монтируется в своей металлической кассете, соединённой со стежнями продольной арматуры с помощью металлических поперечных стержней (см. Фиг. 4).

 

Figure 3

 

 

Фиг. 4

 

   4. Обеспечить прочность контейнера при замерзании воды в термодемпфере.   

    Удельный объём льда примерно на 9 % больше удельного объёма воды, и, значит, линейный размер содержащейся в термодемпфере воды возрастает на 3 % после её замерзания. Снижение опасности разрушения контейнера, вызванного скачком удельного объёма, достигается по-разному в направлении вдоль оси сваи и перпендикулярно к ней.

   1) Компенсация расширения льда вдоль оси сваи.

    Один из наиболее простых и эффективных способов компенсации расширения по высоте контейнера состоит в использовании эластично-податливой прокладки, располагающейся на дне контейнера (см. Фиг. 4). Для изготовления прокладки может быть использован, например, эластичный полимерный пористый материал с замкнутыми порами, долговечность которого в характерных для вечной мерзлоты условиях не ниже предполагаемого срока службы сваи. 

   2) Компенсация расширения льда в поперечном направлении.

    Здесь нежелательно располагать компенсирующую прокладку у боковой стенки контейнера, т.к. это существенно ухудшило бы тепловой контакт термодемпфера с бетоном. Поэтому лучше расположить крестообразную компенсирующую прокладку из такого же, что в пункте 1, эластично-податливого материала по диагональным направлениям полости контейнера (см. Фиг. 4).    

 

   Пример 2

    Рассмотрим те же, что и в Примере 1, климатические условия (Т_тean = -5 °C, Т* = 15 °C) и ту же железобетонную сваю, имющую квадратное сечение со  стороной квадрата квадрата b = 40 см, расчётной площадью поперечного сечения продольной арматуры А_{longitudinal_reinforce} = 16 см², расчётной площадью поперечного сечения бетона А_concrete = 500 см² и расчётной площадью смерзания с грунтом боковой поверхности А_af = 3200 см², соответствующей 2 м длины гарантированного контакта с замёрзшим грунтом. Как мы видим, если выделить из поперечного сечения квадрат стороной 30 см для термодемпфера, то оставшейся площади 1600 – 900 = 700 см² вполне хватает для размещения нужного количества как бетона, так и арматуры.       

    Обеспечив хороший тепловой контакт термодемпфера с бетоном и арматурой указанными выше способами, мы можем считать температуру в поперечном сечении сваи однородной. Если использовать в качестве термодемпфера мокрый торф, то эффективные термические свойства полученного композита определяются следующим расчётом.

Таблица 3. Усреднённые термические свойства железобетонной сваи с термодемпфером

_________________________________________________________________________________________________

                             Объёмная теплоёмкость| Teплопроводность|                                        Доля от:                                    | 

                                         MДж/(м³·K)         |          Вт/(м·K)        | площади поперечного сечения                  объёма       | _________________________________________________________________________________________________

Teрмодемпфер                       9.3                                0.9                                     0.56                                            0.54  

_________________________________________________________________________________________________

Бетон                                       2.4                                1.2                                     0.43                                            0.42

_________________________________________________________________________________________________

Сталь                                       3.6                                46                                      0.01                                            0.03

                                                                                                            (только продольная арматура)          (вся арматура)  

_________________________________________________________________________________________________

 

Усреднённая по поперечному сечению теплопроводность k_averaged = 0.9 X 0.56 + 1.2 X 0.43 + 46 X 0.01 = 1.5 Вт/(м·K) 

Усреднённая по объёму объёмная теплоёмкость C_averaged = 9.3 X 0.54 + 2.4 X 0.43 + 3.6 X 0.03 = 6.2 MДж/( м³·K)                               

Эффективная температуропроводность D_effective = k_averaged / C_averaged = 2.4·10^-7 м²/с

s = 1.56 м,         

d = s · ln Т* / | Т_тean | = 1.7 м.

 

     Выигрыш от применения предлагаемой конструкции

    1. Предлагаемые изменения конструкции железобетонной сваи приводят к уменьшению средней продольной температуропроводности сваи и позволяют гарантировать отсутствие оттаивания и надёжное сцепление с грунтом, начиная со значительно меньшей глубины. Это даёт возможность уменьшить общую длину сваи и, тем самым, получить экономию за счёт уменьшения объёма бурения и снижения расхода бетона. 

    2. В предлагаемой конструкции могут использоваться дешёвые и доступные материалы:   

·        для термодемпфера – мокрый торф или вода;

·        для контейнера – жесть;

·        для держателя контейнера – наиболее распространённые сорта стального проката;

·        для компенсирующей расширение льда прокладки – пористая резина.

    3. Отпадает необходимость в использовании термосифонов.

    4. Последствия применения предлагаемой конструкции могут быть достаточно точно рассчитаны и, значит, более предсказуемы, чем для конструкции-прототипа.   

 

Дата последнего обновления: 16.06.08.

Главная страница