Сезонно-действующие охлаждающие установки (СОУ), или термосифоны, в которых за счет естественной конвекции газа (фреона, пропана, аммиака и др.) или жидкости (керосина, антифриза, этиленгликоля и др.) охлаждается окружающий грунт, используются для промораживания грунтов в основании сооружений с использованием естественного холода в зимнее время. Зимой температура грунта выше температуры воздуха, поэтому жидкость у основания термосифонов нагревается, испаряется и перемещается вверх к радиатору. Там жидкость охлаждается более холодным воздухом, конденсируется и движется вниз. В этом цикле тепло переносится от грунта к воздуху, пока существует соответствующая разница температур ($ΔT$); в противном случае, система прекращает работать. По этой причине летом теплообмен прекращается, а «вечная мерзлота» сохраняется.

Промораживание грунтов производится с целью:

  1. Создания однородных мерзлотных условий на стройплощадке за счет промораживания несквозных таликов;
  2. Обеспечения устойчивости фундаментов, расположенных в талых грунтах, подстилаемых многолетнемерзлыми, на действие сил пучения;
  3. Создания мерзлотных завес и противофильтрационных экранов земляных плотин и дамб;
  4. Сокращения сроков строительства и др.

Надземные трубопроводы в районах с «вечной мерзлотой» иногда поддерживают на стальных сваях, внутри которых устанавливают термостабилизаторы для избежания растепления грунта в процессе строительства или в следствие воздействия теплого трубопровода (рис. 1).

Охлаждающие устройства могут быть вертикальные, горизонтальные или наклонные с одним или несколькими конденсаторами.

Рис. 1. Трубопровод на Аляске (фото из Интернета)

Рис. 1. Трубопровод на Аляске (фото из Интернета)

Программный комплекс PLAXIS позволяет моделировать воздействие СОУ на тепловой режим грунтов. Рассмотрим это на примере одиночного вертикального термосифона, а затем выполним ручной расчет радиуса льдогрунтового цилиндра после 1 года работы СОУ, по методике, описанной в СП 25.13330.2012 (Расчет глубинного охлаждения, замораживания грунта).

Для моделирования необходимо следующие исходные данные:

  1. Климатические данные: составляющие радиационного баланса, среднемесячные температуры воздуха, скорость ветра, толщина снежного покрова и др.;
  2. Инженерно-геологическое строение грунтов;
  3. Начальное температурное состояние грунтов;
  4. Теплофизические свойства грунтов;
  5. Технические характеристики термостабилизатора.

Численное моделирование

Геометрия модели

Осесимметричная модель в PLAXIS имеет радиальную ширину 6 м и глубину 8 м (рис. 2). Радиус испарителя принят равным 0,05 м.

Рис. 2. Геометрия модели в PLAXIS (слева) и сгенерированная сетка конечных элементов (справа)

Рис. 2. Геометрия модели в PLAXIS (слева) и сгенерированная сетка конечных элементов (справа)