Экспериментальная установка по стабилизации оснований и/или замораживанию грунтов
Патент РФ 2534879 | Патент на полезную модель (СОГ) RU 181403 «Сезонное охлаждающее устройство для стабилизации оснований» | Экспериментальная установка по замораживанию грунтов (2017) работающая на двуокиси углерода - безвредном газе (Институт криосферы земли ТНЦ СО РАН) | Свидетельства о регистрации Программы для ЭВМ 2014610560, 2017618746, 2017618525
Освоение северных нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений, строительство систем магистральных трубопроводов и других объектов развитой инфраструктуры осуществлялось и осуществляется в основном по I принципу строительства с сохранением грунтов оснований в мерзлом состоянии. Ввиду значительной протяженности месторождений и трубопроводов с севера на юг гео-криологическое строение грунтов территорий освоения крайне неоднородно. Одни сооружения располагаются в пределах островного и массивно-островного распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ) с температурами от минус 0,1°C до минус 3,0°C, а другие — в зоне сплошного распространения ММГ с достаточно низкими отрицательными температурами (до минус 5°C). Изменение геокриологических условий грунтов оснований объектов как в процессе строительства, так и в период эксплуатации оказывает существенное воздействие на стабильность оснований и фундаментов и, соответственно, на устойчивость самих сооружений. Развитие негативных инженерно-геокриологических процессов, в том числе пучения, термокарста, осадки при оттаивании мерзлых грунтов и др. начинается даже при незначительных изменениях установившегося теплового баланса в геотехнической системе «атмосфера — сооружение — ММГ».

В процессе многолетних обследований были зафиксированы многочисленные случаи деформаций и подвижек фундаментов различных сооружений вследствие как ошибок, допущенных при проектировании, отклонений от проектных решений при строительстве, так и техногенного влияния в процессе эксплуатации этих объектов на грунты оснований. Режимные наблюдения за температурой грунтов и сопоставление их состояния с прежним по материалам инженерно-геологических изысканий прошлых лет позволили в ряде случаев выявить изменения их температурных режимов и глубин сезонного промерзания (оттаивания), что и определило причины деформаций сооружений. Наряду с оттаиванием вмещающих свайные фундаменты ММГ, сопровождаемым осадкой свай, наиболее распространенным типом деформаций оснований является сезонное и многолетнее выпучивание свай под воздействием сил морозного пучения, возникающих в слое сезонного промерзания-оттаивания.

Северные районы Тюменской области и территория полуострова ЯМАЛ характеризуются сложными климатическими, инженерно-геологическими, геокриологическими и гидрологическими условиями. Грунты оснований здесь представлены преимущественно суглинками, глинами и органическими грунтами. Широко встречаются пластовые льды и грунты с морским типом засоления. В самой верхней части минеральные грунты являются преимущественно пылеватыми и относятся к категории пучинистых и сильно пучинистых. Необходимость реализации специальных проектов по термостабилизации грунтов обоснована.
Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано не только при освоении и эксплуатации месторождений, расположенных в зоне многолетнемерзлых пород, но и при строительстве промышленно-гражданских сооружений.

В настоящее время для замораживания грунтов используются сезонные охлаждающие устройства производства НПО «Фундаментстройаркос», хладагентом в которых является аммиак. Система охлаждения грунта RU 2552253 «Устройство для термостабилизации приустьевой зоны скважин» обладает доработками, являющимися неоспоримыми преимуществами - система, работает на двуокиси углерода (безвредном газе), что значительно эффективнее, а ввиду экологической безопасности, может применяться в жилищном строительстве.

Задачей изобретения является повышение эффективности применения системы за счет использования естественных криогенных ресурсов – рассолов с отрицательными температурами (криопэгов), залегающих в криолитозоне, рассматриваемой как природная холодильная машина. Технический результат изобретения - повышение экономичности, надежности и стабильности работы.

В Институте Криосферы Земли разработаны сезонные охлаждающие устройства, работающие на диоксиде углерода. Данные устройства, начинают работать когда грунт теплее атмосферы на десятые доли градуса(разница температур практически нулевая), в то время как устройства работающие на аммиаке, начинают работать когда грунт теплее атмосферы на несколько градусов. Таким образом время работы сезонных охлаждающих устройств (СОУ) на диоксиде углерода в течении зимнего сезона существенно больше времени работы СОУ с аммиаком в качестве хладагента. Мощность установки значительно больше, чем мощность установки на аммиаке. Используя свои разработки по моделированию процессов тепломассопереноса в различных СОУ и полученные экспериментальные данные Авторы разработали и запатентовали эффективную систему Экспериментальная исследовательская установка по стабилизации оснований Патент на полезную модель (СОГ) RU 181403 «Сезонное охлаждающее устройство для стабилизации оснований» для объемного и площадного замораживания грунтов под инженерными сооружениями, построенными в криолитозоне.

Разработан метод решения задачи Стефана с учетом случайных изменений метеорологических характеристик (температура окружающего воздуха, скорость ветра и величина снежного покрова) и проведен стохастический (многовариантный) прогноз состояния грунтов под инженерными сооружениями, охлаждаемыми СОУ. Создан программный комплекс Инновационный программный комплекс Arctic для Сезонных охлаждающих устройств Свидетельства о регистрации Программы для ЭВМ 2014610560, 2017618746, 2017618525, делающий расчет и прогнозирование теплового взаимодействия грунтов, охлаждаемых СОУ, с инженерными сооружениями, построенными в криолитозоне, с учетом различных вариантов будущего. Программный комплекс предназначен для работы на компьютерных кластерах и создан с учетом технологии параллельного программирования MPI «Arctica Stochastic 3D», «Arctica 3D MPI», «Arctica 3D Personal»

Фактическое место размещения экспериментальной установки по замораживанию грунтов (2017) работающей на двуокиси углерода - безвредном газе (Институт криосферы земли ТНЦ СО РАН)


Инновационный программный комплекс Arctic для Сезонных охлаждающих устройств

Контактное лицо по вопросам сотрудничества Аникин Геннадий Владимирович, Ведущий научный сотрудник, Кандидат физико-математических наук Института киоскеры земли ТНЦ СО РАН

aganikin@innovkd.ru


Предложение по внедрению инновационного программного комплекса «Arctica» и новых СОУ (сезонных охлаждающих устройств).pdf