НАУКА-СТРОИТЕЛЬНОМУ ПРОИЗВОДСТВУ

Серия основана в 1975 году

А.П.Юрданов

ТЕРМИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ
ГРУНТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Москва
Стройиздат
1990
Юрданов А.П. Термическое упрочнение
грунтов в строительстве. — М.: Стройиздат,
.1990.—128с.: ил.--(Наука— строит.пр-ву). —
ISBN 5-274-00974-3

Изложены теоретические и экспериментальные основы
метода термического упрочнения грунтов в практике капи-
тального строительства. Обобщен опыт практического ис-
пользования метода, определены пути его совершенствова-
ния и основные направления дальнейшего развития. При-
ведены 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 инже-
нерному оборудованию редакционного совета Стройиздата.

Рецензент - д-р техн, наук, проф. М.И. Сморо-
динов.

Редактор - М.В. Степанова.

3304000000— 358

Ю........ ...... 16-90

047 (01)-90

© А.П. Юрданов, 1990

ISBN 5-274-00974-3
ПРЕДИСЛОВИЕ

Значительные масштабы капитального строительства в СССР, ме-
ры по охране природы и рациональному использованию природных
ресурсов, ограничения в отводе под строительные площадки пахот-
ных земель вызывают необходимость размещения многих строящих-
ся 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 ус-
тойчивыми средами, лессовые и глинистые грунты при увлажнении
изменяют свои строительные свойства, в значительной мере утрачи-
вая прн этом несущую способность и устойчивость. В ннх проявляют-
ся 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 материальных и трудовых ресурсов. На эти це-
ли, включая реконструкцию и усиление фундаментов действующих
производств, ежегодно затрачивается свыше 3,2 млрд руб. Объемы
капитальных вложений на основания и фундаменты в таких грунтах
по мере дальнейшего увеличения масштабов строительства будут не-
прерывно 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
отрицательные строительные качества, но и образовывать в результа-
те 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 термо-
грунтовые цилнидры в процессе упрочнения грунта соприкасались
ДРУГ с другом, то удается получать сплошной упрочненный массив
или различные сочетания цилиндров в виде куста свай, опор, фунда-
ментов, подпорной стены, обделки выработок.

Перспективность метода термического упрочнения грунтов обус-
ловливается его относительной высокой технической и экономиче-
ской эффективностью. Важным преимуществом этого метода являет-
ся практически нулевая материалоемкость работ по устройству осно-
ваний, 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
этом резко сокращается потребность в привозных и местных матери-
алах, уменьшаются объемы транспортных перевозок, высвобождают-
ся мощности предприятий промышленности строительных материа-
лов, достигается экономия цемента, металла, дерева. Данное обстоя-
тельство особенно важно для объектов сельскохозяйственного, энерге-
тического и иефтегаЗо-промыслового назначения, для которых харак-
терны большая разбросанность, малообъемиость, удаленность от про-
изводственных баз и их недостаточная мощность, а также отсутст-
вие, как правило, хороших транспортных коммуникаций. Для мето-
да характерны также несложность применяемого оборудования, воз-
можность использования всех видов топлива и электрической энер-
гии, высокая степень механизации и 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 пред-
приятий. Использование в процессах термоупрочнення грунтов высо-
ких температур существенно расширяет область практического при-
менения метода, так как спекать и расплавлять можно любые грун-
ты, не разлагающиеся прн высоких температурах.

Несмотря на ряд очевидных н проверенных опытом преиму-
ществ 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 использованию этого метода в народнохозяйственном
масштабе препятствует ряд факторов. Прежде всего, это недостаточ-
ная изученность сложных процессов, сопровождающих нагревание и
последующее охлаждение упрочняемых в массивах грунтов. Имею-
щиеся в этом направлении отдельные разработки разрознены, взаим-
но не увязаны единой методикой исследований, что крайне затрудня-
ет, а чаще всего делает невозможным нх сравнительный анализ, на-
учное обобщение и использование полученных результатов в практи-
ке. По термическому упрочнению грунтов нормативная документа-
ция разработана только для некоторых регионов, отсутствует специ-
альная литература,

В связи с этим у заказчиков строительства, проектных и подряд-
ных строительных организаций отсутствует обобщенная информация
о возможностях различных способов термического упрочнения грун-
тов и накопленном опыте их практического применения, перспекти-
ве и путях дальнейшего совершенствования и развития метода в це-
лом. Данное обстоятельство существенно сдерживает внедрение мето-
да в практику в народнохозяйственном масштабе.

Данная книга является обобщением опыта и результатов собст-
венных исследований автора. Она рассчитана на научных и инженер-
но-технических работников научно-исследовательских, проектных и
строительных организаций.

Автор выражает признательность д-ру техн, наук, проф.
М.И. Смородинову за ценные советы и замечания, сделанные при ре-
цензировании рукописи.
ВВЕДЕНИЕ

Попытка термической обработки грунтов непосредственно на
строительной площадке относится к концу XIX в. В 1887 г. обжиг
глинистого грунта был осуществлен для получения балласта прн воз-
ведении земляного полотна железной дороги. В 1896--1898 гг. Ф.И.
Кноррннг выполнил работы по устройству подпорной стены на ополз-
невом откосе. Глинистый грунт загружали послойно с твердым топ-
ливом в траншеи» укрепленные шпальными срубами. Обжиг длился с
перерывами в течение двух лет и была образована подпорная стеиа
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 упрочне-
ния 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.
Филатова в 1926--1927 гг. Исследовались свойства обожженных гли-
нистых грунтов с учетом их генетических особенностей н грануломет-
рического состава. Обжнг грунтов осуществляли в напольных печах,
которые представляли собой чаще всего клетки из рельс, непрерывно
в течение суток. После этого обожженный грунт разламывали, разби-
вали на отдельные кускн, доставляли на проезжую часть дороги и
там втрамбовывали в основание. При дальнейшей эксплуатации
обожженный грунт выполнял функции как покрытия, так и подсти-
лающего дренирующего слоя. Подобные работы были затем повторе-
ны рядом организаций на Валдайском, Майко-Кужорском, Кемь-Ух-
томском, Серпуховском трактах в 1928--1934 гг., а также после Ве-
ликой Отечественной войны в Красноярском крае. Для обжига ис-
пользовали различные виды связных грунтов, а их обжнг производи-
ли не только в напольных печах, но н путем сжигания нефтепродук-
тов на проезжей части дорог с предварительным нарезанием послед-
них на отдельные карты. Ценность этих работ заключается в том,
что во-первых, они показали принципиальную возможность термиче-
ского упрочнения грунтов в построечных условиях, а во-вторых, под-
готовили первую информацию о явлениях, сопровождающих процес-
сы обжига поверхностных слоев глинистых грунтов. Обобщение опы-
та термоупрочнення грунтов в дорожных целях в этот период време-
ни выполнили М.М.Филатов и В.М. Безрук.

Основываясь на опыте термического упрочнения грунтов пред-
ыдущих исследователей, Н.А. Осташев в 1934 г. предложил способ
термического укрепления просадочных лессовых грунтов в основани-
ях зданий путем нагревания их через буровые скважины. В 1938 г.
этот способ был проверен в полевых условиях Н.А. Осташевым и
А.А. Стороженко. Атмосферный воздух нагревали в специальной пе-
чи до температуры 500--600°С и под давлением иагиеталн в загерме-
тизированные скважниы, а нз них в окружающий скважины массив
просадочного грунта. Последний нагревался до 300--400°С. т.е. до
температуры, существенно изменяющей просадочные свойства грун-
та. 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 производствен-
ное строительство на объектах Украины начиная с 1953 г. Сущест-
венные изменения в него внесли ВИА им. В.В. Куйбышева. ГПИ
Фундаментпроект, 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 исс-
ледователи. Изучению были подвергнуты немакропорнстые грунты в
откосах выемок для ликвидации явлений морозного пучения и опол-
зней. Было предложено осуществлять нагрев грунтов также через бу-
ровые скважины до температуры ниже начала интенсивного спека-
ния, предотвращая закупоривание пор в грунтовых стенках распла-
вом, сопровождающимся резким сокращением фильтрации нагретых
газов в массив грунта. В результате такой обработки вокруг скважи-
ны образуется своеобразный термогрунтовый цилиндр с непрерывно
уменьшающейся в радиальном направлении прочностью, причем у
стенок скважины прочность наибольшая. Она сравнима с характери-
стиками обыкновенного красного кирпича, полученного из неотсор-
тированного сырья при таких же температурах обжига. По мере уда-
ления от нагревательной скважины прочностные свойства термо-
укрепленного грунта снижаются по определенному закону до на-
чальных.

Плавление водонасыщенных плывунов было впервые выполнено
трестом Калннинуголь при проходке шахты (результаты описаны
Д.С. Слободкиным). В качестве генераторов тепловой энергии ис-
пользовали погружные термографитовые нагреватели, позволяющие
создавать в скважинах температуры до 2000--2500°С. Спекшиеся и
сплавленные плывуны отличались высокой механической прочно-
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 конст-
рукций в виде опор, свай, обделок и подпорных стен. Проведенные
комплексные теоретические и производственные опыты полностью
подтвердили техническую осуществимость и экономическую целесо-
образность этого направления в интересах инженерного строительст-
ва. 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-
графитовых и стержневых электронагревателях. Заплавление сква-
жин грунтов в последующем было выполнено Р. Г. Погосяном, а сме-
сями грунта с отходами химической промышленности - сотрудника-
ми ГПИ Фундаментпроект. Возможность заполнения стволов сква-
жин расплавом различных материалов существенно расширяет об-
ласть практического применения метода в целом.

Опыты по армированию размягченных при высоких температу-
рах связных грунтов металлом были выполнены автором в ВИА им.
В.В. Куйбышева. Они показали, что силы сцепления стальной арма-
туры с расплавами грунтов после их охлаждения сравнимы с анало-
гичными характеристиками строительных бетонов. Вместе с этим вы-
явились и проблемные вопросы предохранения стали от окали*
ны и сгорания, которые ждут своего разрешения в дальнейших исс-
ледованиях.

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
свыше 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 малоосвоенных регионах, а также при
проведении работ хозяйственным способом силами колхозов, совхозов
и действующих производств. Ознакомление широкого круга специа-
листов с основами метода послужит его дальнейшему внедрению в
практику.
ГЛАВА 1.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ОБОЖЖЕННЫХ В МАССИВАХ
ЛЕССОВИДНЫХ И ГЛИНИСТЫХ
ГРУНТОВ

1.1.	Изменение физико-механических свойств
связных грунтов при нагревании

Среди большого многообразия рыхлых горных по-
род, являющихся продуктом выветривания каменной
оболочки земли, несцементированные мелкообломоч-
ные лессовидные и глинистые грунты занимают особое
место. Отличительной особенностью этих грунтов явля-
ется сложное минерально-дисперсное строение, являю-
щееся результатом процессов внешней динамики зем-
ли. К их числу относятся выветривание, перенос про-
дуктов разрушения водой и ветром, аккумуляция
осадков в различных физико-географических средах и
т.п. В условиях естественного залегания лессовидные и
глинистые породы  представляют сложнейшую гетеро-
генную систему взаимодействующих между собой час-
тиц твердого минерального скелета, различных видов
содержащейся в порах грунтов воды, ее паров и газов.
Физико-механические свойства этих грунтов в значи-
тельной мере определяются химическим и минералоги-
ческим составом частиц, величиной и характером по-
ристости, количественным соотношением между твер-
дой, 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 мине-
рального скелета и их агрегатов играют коллоидаль-
ные фракции, имеющие размеры менее 0,001 мм.
Именно глинистые, в том числе и коллоидальные час-
тицы во взаимодействии с поровой влагой создают осо-
бые свойства связных грунтов, их низкую водо- и га-
зопропускную способность, липкость, набухание, усад-
ку, развитие внутренних сил сцепления и др.

Минералогический и химический составы, количе-
ственное содержание в грунтах глинистых частиц
предопределяют, в свою очередь, характер формирова-
ния их свойств в процессе теплового воздействия при
различных температурах и режимах нагревания грун-
тов. Термическая обработка грунтов в условиях их ес-
тественного залегания и характер сопровождающих ее
явлений существенно отличаются от обжига изделий
ограниченных размеров, сущность которого подробно
описана в обширной отечественной и зарубежной науч-
но-технической литературе.

Поведение связных грунтов при их нагревании в
массивах во многом зависит от химического и минера-
логического составов. Песчаные и пылеватые частицы
в связных грунтах представлены первичными минера-
лами исходных кристаллических пород. Минералоги-
ческий же состав глинистых частиц отличается боль-
шим многообразием, однако основными минералами,
как известно, являются каолиниты, монтмориллониты
и иллиты.

Главной составной частью вторичных отложений
глинистых пород является каолинит. Его образование
связано с разрушением полевых шпатов в процессе их
выветривания под воздействием углекислого газа. Као-
линит имеет мельчайшее чешуйчатое строение, весьма
пластичен, при, нагревании до 300°С и выше полно-
стью распадается на алюмосиликатные составляющие.
Монтмориллонит является результатом выветривания
габбро, базальтов, вулканических пеплов в условиях
щелочной среды. Он входит в состав большинства лес-
совидных грунтов. Отличается высокой гидрофильно-
стью, при увлажнении сильно набухает. В монтморил-
лонитах молекулы воды располагаются в межпакетном
пространстве. При набухании они втягиваются внутрь
кристаллической решетки. Иллиты, или гидрослюды,
образовались за счет выветривания гнейсов, мускови-
товых сланцев в условиях кислой среды. Они имеют
чешуйчатую и тонкопластинчатую’ форму. По своим
характеристикам прочности и взаимодействия с водой
занимают промежуточное положение между каоли-
нитами и монтмориллонитами, приближаясь к по-
следним.

Важнейшими примесями в связных грунтах явля-
ются карбонаты, сульфаты, железистые соединения,
которые также оказывают влияние на ход и результат
нагревания их в массивах и в лабораторных установ-
ках. В процессе дегидратации грунтов двуводный гипс
переходит в полуводный. При температуре 800°С и вы-
ше 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 нагнетают-
ся продукты сгорания топлива, в том числе окись уг-
лерода и углекислый газ, которые замедляют диссоци-
ацию карбонатов кальция. В процессе спекания связ-
ных грунтов наличие в них окислов кальция способст-
вует образованию веществ с гидравлическими свойст-
вами. 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, разра-
ботанной академиком П.А. Ребиндером, по которой в
увлажненном состоянии эти грунты имеют коагуляци-
онную структуру, отличающуюся низкой прочностью и
ярко выраженной пластичностью. По мере удаления
свободной и физически связанной воды при температу-
рах до 100--200°С коагуляционная структура перехо-
дит в конденсационную. При этом устраняются лип-
кость, пластичность и повышается механическая проч-
ность. Однако конденсационную структуру отличает
низкая водостойкость, способность при увлажнении
вновь сорбировать воду, размокать, утрачивать приоб-
ретенную при нагревании прочность и вновь перехо-
дить в первоначальную коагуляционную структуру.
При температурах нагревания ниже 600°С 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°С, в про-
цессе которого практически удаляется вся химически
связанная вода, входящая в состав коллоидных ми-
целл. Исключение составляет незначительное количе-
ство влаги в монтмориллонитах, которая испаряется
при температурах около 800°С.

Прочность грунта возрастает по мере удаления из
него влаги и зависит от количественного содержания
глинистых частиц, увеличиваясь с их повышением.
Процесс обезвоживания сопровождается преобразовани-
ем молекул глинистого вещества, изменением внутрен-
ней 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 лету-
чих компонентов, образования усадочных и термоме-
ханических трещин, размягчения легкоплавких со-
ставляющих и заполнения ими порового пространства.

Прочность глинистых и лессовых грунтов, обрабо-
танных в интервале температур 600--900°С слабо изу-
чена. Теоретические представления не согласуются
здесь с результатами практики, показывающей суще-
ственный прирост механической прочности грунтов
именно в этом интервале, в этом направлении необхо-
димы дальнейшие исследования. С повышением нагре-
вания до температур обжига грунтов (аналогичная фа-
за в технологии керамического производства -- увели-
чение температуры до 900--950°С) в них начинают ин-
тенсивно размягчаться наиболее легкплавкие компо-
ненты, грунт начинает спекаться, что сопровождается
сближением частиц минерального скелета грунта и их
агрегатов. Жидкая стекловидная фаза растворяет с по-
верхности зерна твердое кристаллическое вещество,
насыщается им и кристаллизуется на поверхности не-
растворенных зерен в виде твердой фазы. Размер зерен
при этом увеличивается. Образуются новые соединения
силикатов, алюминатов, алюмоферритов. Прочностные
свойства полученного в результате спекания грунтов
материала зависят существенно от режима охлажде-
ния, уменьшаясь с повышением скорости остывания
грунта. При этом образуются структуры, характерные
для магматических пород. Они могут быть плотными
скрытно-кристаллическими, стекловатыми и стеклова-
топористыми. Образование стекловатопористой струк-
туры при спекании объясняется выделением при плав-
лении грунтов водорода, метана и углекислого газа,
выход которых в атмосферу по какой-либо причине за-
труднен.

Образование новых химических соединений при
повышенных температурах может сопровождаться эк-
зотермическими 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-
ты и трехкальциевый алюминат, которые, как извест-
но, являются основными составными частями цемент-
ных клинкеров. В связи с этим обработанные при вы-
соких температурах в массивах грунты не только не
утрачивают приобретенную прочность, но и значитель-
но ее увеличивают, в том числе и во влажной среде.
Наибольшую прочность приобретают грунты, остыва-
ние которых ведется в режиме медленного охлажде-
ния -- закала. Резкий режим охлаждения нагретых
грунтов вызывает хрупкость и снижение прочности,
трещиноватость. При этом более чувствительны к ско-
рости охлаждения связные грунты с повышенным со-
держанием глинистых частиц.

1.2.	Прочностные и деформационные свойства
грунтов, термообработанных в массивах
и в лабораторных условиях

Многочисленными опытами установлено, что проч-
ностные свойства связных грунтов, независимо от того
в массиве или в образцах они подвергались термиче-
ской обработке, возрастают с повышением температу-
ры обработки. При этом имеет место некоторое замед-
ление роста прочности в интервалах температур 600--
700°С для легких суглинков и некоторых видов лессо-
вых грунтов. Для глин и тяжелых суглинков оно на-
блюдается при 800--900°С, а у лессовых грунтов, бога-
тых монтмориллонитами, возможно не только замед-
ление 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 терми-
ческую обработку грунтов, длятся в некотором времен-
ном интервале, то прочность обожженных грунтов за-
висит также и от продолжительности обжига при каж-
дой 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 нагрева-
ние грунта в массиве вести в течение 2--4 ч, учитывая
при этом и дальнейшее перераспределение температу-
ры грунта в процессе его охлаждения.

Нами были выполнены обобщенные испытания ме-
ханической прочности и деформативности термически
упрочненных грунтов трех видов всеми основными
способами. Термогрунтовые конструкции в виде под-
порных стен, обделок шахтного ствола, отдельных
массивов и опор были выполнены через системы нагре-
вательных скважин с генерацией тепла в погружных
термографитовых и стержневых электронагревателях и
сжиганием топливных смесей. Механические свойства
термоупрочненных грунтов испытывали непосредст-
венно в конструкциях сквозным прозвучиванием им-
пульсными ультразвуковыми приборами ИМ-2 и
ПИК-7. По результатам прозвучивания определялись
величины модулей продольной и поперечной деформа-
ции. Динамические свойства термоупрочненных грун-
тов выявлялись исследованием их на разрушение и
выброс с помощью взрывчатых веществ по методике,
общепринятой в горно-рудной промышленности. Ста-
тические испытания выполнялись на стандартных
гидравлических прессах и приборах. Было установле-
но, что механическая прочность термоупрочненных
грунтов может быть достаточно полно выражена в
функции среднеинтегральной величины температуры
нагревания Тср, которая зависит от кривизны термо-
граммы -- кривой изменения температуры по направ-
лению действия теплового потока. Разработана методи-
ка определения Тср для плоского, радиального и сфери-
ческого тепловых потоков и выявлена зависимость для
ее определения в виде

Тср =(АТс+ВТ,УС,	(1.1)

где Тс -- температура обжига грунтов условно в центре скважи-
ны, °C; Тк - температура нагревания грунта на внешнем контуре
термогрунтового образования, °C; А, В, С, - коэффициент и функ-
ции, зависящие от вида теплового потока и кривизны термограммы-
ее показателя К (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Коэффи-	Вид теплового потока

Циенгфунк- -------- --1------------т  ------------------

«ни	плоский радиальный I сферический

А	1	а	3

£	К	К(К + 3)	К (К2 + 6/С + 11)

с	1 +К	(1+/С)(2+Ю	(1 +К) (2 +К) (3 +К)
Результаты испытаний позволили (табл. 1.2) пред-
ложить поставить в соответствии коэффициенты крепо-
сти Ккр горных пород и термогрунтовых материалов,
для которых выявлена корреляционная связь Ккр с
Тср, а также Тер с временным сопротивлением сжатию
GCJK, характеризуемых соотношениями: .

Квр = (166,7+Тср)/(1383-0,821Тср);	(1-2)

GC>K = (358,1+Тср)/(125,2-0,0714Тср),	(1.3)

где GCJK -- среднее значение временного сопротивления сжатию
термоупрочненного грунта, МПа; Тср — средиеиитегральное значение
температуры нагревания грунта, °C.

Таблица 1.2

Характеристики проч-	Среднеинтегральная температура термическо-

ности	го упрочнения грунтов. Тс^, °C

	600-800 J	900-1100	J 1200-1400
Скорость продольной волны, м/с	2300-2900	3200-3800	4100-4700
Расход ВВ на разруше- ние и выброс, г/м3	120-300	300-750	1080- 1540
Дшамический модуль упругости, тыс. МПа	7,4-12,6	15,8-23,8	28,6-39,7
Временное сопротивле- ние сжатию, МПа	8,62-13,3	16,6-26,3	34,5-66,7
Удельное сцепление, МПа	0,6-1,2	1,59-3,07	4,4-12,1
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 про-
дольной волны— 2,1г-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 свой-
ства обожженных грунтов более существенное влияние
оказывает не продолжительность нагревания свыше 4
ч, а скорость нагревания и охлаждения. Причем наи-
большее влияние градиент температуры по времени
оказывает на величины удельного сцепления и времен-
ного сопротивления разрыву, меньшее на сопротивле-
ние сжатию и коэффициент внутреннего трения. Так,
повышение градиента в 10 раз от 20 до 200°С снижает
прочность на сжатие на 15--20% при конечной темпе-
ратуре обжига 1200°С и на 34—39% при конечной тем-
пературе обжига 700°С, соответственно для коэффици-
ента внутреннего трения 16--40 и 45--60%, сопротивле-
ния разрыву 46--64 и 78--89%, удельного сцепления
39-65 и 51-77%.

• Морозостойкость грунтов, обработанных при 400°С,
не превышает 6-8 циклов, при 600--800°С она состав-
ляет 10--25 циклов, а затем непрерывно возрастает
пропорционально температуре обжига. Просадочные
свойства лессовидных грунтов устраняются при нагре-
вании на 350—500°С 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°С от 0,5 до 0,75 и воз-
растая до 0,75—0,92 при температурах обработки 800—
1200°С.

Выявлено, что в процессе термообработки крупно-
сть зернового состава увеличивается. Это дает нам пра-
во полагать, что повышение прочности идет не за счет
Увеличения площади контактов отдельных частиц
грунтов и их агрегатов (величина удельной поверхно-
сти уменьшается), а в результате упрочнения струк-
турных связей между ними.

Отбор образцов из упрочненных массивов грунтов
для испытаний связан с определенными трудностями
по выпиливанию и высверливанию их и предохране-
нию от трещинообразования. Для температур обра-
ботки Т = 400—1000°С получена корреляционная связь
для перехода значений временных сопротивлений сжа-
тию образцов грунта, упрочненных в лабораторных
установках G3, к соответствующим величинам со-
противления сжатию термогрунтов в массивах GM,
МПа, в виде

GM = Gn (0,48 + 0,0006Т),	4	(1.4)

из которой видно, что это соотношение изменяется
с увеличением Т, при Т = 400°С GM = 0,72 Ол, а при
1 — 1000°С это соотношение возрастает и G = G 1,08,
проходя через значение GM = Ол при Т = 867°С^ Дан-
ное обстоятельство объясняется тем, что при низких
температурах обработки упрочнение образцов грунта в
Установках осуществляется со всех сторон равномерно,
влага удаляется со всех сторон образцов, условия фор-
мирования усадки более благоприятные. При высоких
Же температурах в массиве создаются лучшие условия
Для формирования структур термогрунтовых образова-
ии за счет более медленного охлаждения.
1.3.	Минимальные расчетные температуры
обжига грунтов

В процессе глубинного обжига грунтов вокруг каж-
дой нагревательной скважины, как уже было отмече-
но, образуется своеобразное термогрунтовое тело, проч-
ностные и деформационные свойства материала в кото-
ром изменяются в радиальном от скважины направле-
нии. Характер этого изменения зависит от режима и
температурного поля, величины температуры обработ-
ки, которая, в свою очередь, определяется целью тер-
мического упрочнения грунтов. Можно выделить три
основных направления применения метода: получение
строительных материалов в виде крупного песка, щеб-
ня и камня; упрочнения массивов для ликвидации
просадочных и пучинных свойств грунтов, оползневых
явлений, уменьшения величин бокового давления со
стороны грунтов на подпорные стены; создание термо-
грунтовых конструкций в виде свай, обделок, подпор-
ных стен, противофильтрационных завес.

Для достижения соответствующих целей термиче-
ская обработка грунтов ведется при различных темпе-
ратурах. 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 физи-
ко-механических и других свойств термоупрочненного
материала. Такие значения температур по результатам
полевых испытаний и производственной проверки бы-
ли получены (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Цель термической обработки грунтов в условиях их	Минимальная
естественного залегания	расчетная
	температура, °C

Получение строительных материалов	900-1000

Упрочнение грунтовых массивов:
ликвидация просадочных свойств	350-400

устранение явлений морозного пучения сплывов	500

снижение бокового давления на подпорные стены	300-350

Изготовление термогрунтовых конструкций:
сваи, опоры, обделки, подпорные стены	600

без промерзания обожженных грунтов
то же,для условий многократного промерзания-от- 900-1000
таивания и для конструкций из расплава грунтов
По направлению от стенок скважины к периферии
каждая температура распространяется со своей скоро-
стью, величина которой повышается с уменьшением
температуры. Так, температура 400°С движется в на-
греваемом массиве грунта со скоростью более высокой,
чем, например, 800°С. Радиус, на который распростра-
нится фиксированная температура за время Г с нача-
ла обжига, вычисляется по приближенной зависимости
г = Уго+(аотАН),	(1.5)

где го -- радиус нагревательной скважины, Н -- глубина скважи-
ны, м; ао - средняя объемная скорость термического упрочнения
грунтов, определяемая опытным путем, м$/ч.

1.4.	Изменение прочности обожженных
грунтов во времени

Важнейшей характеристикой термоупрочненных
материалов, массивов и конструкций является дли-
тельная прочность. Опыты показали, что существует
корреляционная связь между временным сопротивле-
нием сжатию термоупрочненных грунтов непосредст-
венно после обжига Go, МПа, характеризуемая соотно-
шением

Gx = GJ0,0001(5+0,61) Тср+(0,59+0,024Г)],	(1.6)

где t - время после окончания термоупрочнения грунтов, лет.

Уравнение множественной корреляции (1.6) полу-
чено статистической обработкой результатов испыта-
ний последовательно через 5, 10, 15 и 20 лет после
окончания термического упрочнения четырех разно-
видностей связных грунтов. В первые 5 лет грунты,
упрочненные при температурах ниже 820°С, могут
снижать приобретенную прочность. Для температуры
400°С это снижение составляет 21%. Повышение тем-
пературы свыше 820°С обеспечивает непрерывное уве-
личение прочности во времени.

Экспериментами было установлено, что образова-
ние монолитных взаимосвязанных объемов термообра-
ботанного грунта достигается при условии содержания
в нем не менее 10% глинистых частиц, что соответст-
вует числу пластичности грунта, равному 7. В тех слу-
чаях, когда нагревание грунтов ведется до их спека-
ния 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 испыта-
ния кубических образцов грунта с размером ребра,
равным 3 см. Этот размер определяется особенностями
формирования прочности вокруг скважин, которая не-
прерывно изменяется по направлению теплового пото-
ка. Для перехода прочности кубиков других размеров
хорошие результаты дает эмпирическая формула
М.Д. Юрдановой

Ga =	(1.7)

где Ga, Gb -- прочность на сжатие образцов с размерами ребра а,
Ь; Ко = 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 вы-
ражением

GT = Gh+Et(T-Th),	(1.8)

где GT, GH — прочность на сжатие при температурах Т и Тн,
МПа; Ет - модуль термического упрочнения, характеризующий воз-
растание прочности на 1°С, МПа/°С.

В процессе обжига грунта в массивах объем послед-
них практически не уменьшается. Вместе с тем при
нагревании связных грунтов неизбежны структурные
и термомеханические усадки. Следовательно, в масси-
вах в результате усадочных явлений образуются изме-
нения порового пространства и трещины, увеличиваю-
щие объем пустот. Пористость грунтов возрастает так-
же 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 пори-
стость можно оценить по зависимости

n.-rio +

По	Ут	100

(1.9)

где По, пт - соответственно начальная пористость и общая пори-
стость грунта, нагретого до температуры Т, включая усадочные тре-
щины и выгорание летучих компонентов.
1.5.	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 глинозе-
ма, выше содержание кремнезема и больше различных
плавней. При этом чем больше в грунте коллоидаль-
ных частиц, тем выше температура спекания и плав-
ления. В данном случае под температурой спекания
подразумевается такая температура, при которой на-
чинается 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. На-
конец, под размягчением подразумевается состояние
полного спекания, при котором грунт не выдерживает
собственной массы и растекается. Спеканию и размяг-
чению связных грунтов способствуют полевые шпаты,
слюды, карбонаты, хлориты.

Принципиальная возможность армирования спека-
емых грунтов металлами основана на малом отличии
их линейного и объемного расширения. В табл. 1.4
приведены результаты опытов над 8-ю видами связ-
ных грунтов на сцепление их с арматурой диаметром
10 мм при заделке ее на 25 диаметров. Выброс при ис-
пытаниях составил по 2--4 образца.

Таблица 1.4

Условный лабораторный номер грунта	Число испы- танных об- разцов	Выдергивающая нагрузка, тс		
		средняя	макси- мальная	минималь- ная
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
11	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 до-
статочно высоки, однако вопросы предохранения ме-
талла 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 хими-
ческих производств, например селикагелем.

1.6.	Примеры расчета

Пример 1. Термическое упрочнение на строительной пло-
щадке выполняют в массиве покровного суглинка мощностью
Н = 10 м через нагревательные скважины диаметром 0,2 м. Тем-
пература грунта на внешнем контуре Тк = 600°С, в стенках
скважины 1'с = 1000°С и Тс = 2000°С. Средняя объемная ско-

рость термического упрочнения по данным предварительно
выполненного опыта ао = 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 1000 и 2000°С соответственно Т = 733°С и
ср

Т = 1067°С. Аналогично этому по (1.2) определяем величины
коэффициента крепости термоупрочненного грунта для значений
Т которые будут равны 1,15 и 2,43. Эти коэффициенты кре-
пости эквивалентны горным породам - соответственно каменно-
му углю и мягкому известняку. Согласно (1.3) для Т = 733°С
ср

величина G„„ = 14,9 МПа и для Т = 1067°С значения =
сж	ср	сж

= 29,1 МПа.'

Пример 2. По условиям примера 1 требуется определить
изменение размеров термогрунтового массива во времени для
продолжительности процесса т = 24 ч и т - 96ч.

По соотношению (1.5) соответственно для радиуса нагрева-
тельной скважины, равного 0,1 ми 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-
вого цилиндра за 3 сут увеличится на 1 м.
ГЛАВА 2.

ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ ВНУТРИ
НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН
И ИХ ГАЗОПРОПУСКНАЯ
СПОСОБНОСТЬ

2.1	. Уравнение теплового баланса
в нагревательной скважине

Метод термического упрочнения грунтов является
сравнительно новым и это в какой-то мере объясняет
отсутствие единой терминологии. Необходимость 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 ко-
торые осуществляется нагревание грунтов. В научно-
технической литературе и в практике исследований
употребляются термины ’’обжиговые”, ’’рабочие”, ’’на-
гнетательные” скважины. По-видимому, более пра-
вильным 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 укреп-
ленный массив”. Автор полагает, что более точным и
полным будет обобщенный термин ’’термогрунтовое те-
ло” или ’’термогрунтовое образование”, который в за-
висимости от вида й формы конечного продукта обра-
ботки может конкретизироваться как ’’термогрунтовая
свая”, ’’термогрунтовый массив”, ’’термогрунтовая сте-
на”, ’’термогрунтовый материал” и т. п. Такой термин
характеризует достаточно понятно как способ образо-
вания, так и исходное сырье для изготовления термо-
грунтовых тел.

В научно-технической литературе дается разное на-
звание 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 газы”, подразумевая под ними
смеси продуктов горения топлива с воздухом или толь-
ко нагретый воздух. Наконец, о названии метода в це-
лом. Термины ’’термическое укрепление”, ’’термическое
закрепление” грунтов в условиях, когда целью метода
являлось только улучшение природных свойств грун-
товых массивов, их техническая мелиорация были
вполне оправданы. Для характеристики метода как со-
вокупности различных способов образования термо-
грунтовых тел в виде материалов, массивов и конст-
рукций эти термины уже менее пригодны. Основным в
данном случае является вопрос о прочностных харак-
теристиках термогрунтовых образований. Поэтому бо-
лее правильно будет использовать название ’’метод тер-
мического упрочнения” или ’’глубинного обжига” грун-
тов. Последнее название достаточно кратко и полно от-
ражает сущность метода, принципиально не отличаясь
от предыдущего, а именно: оно показывает, что терми-
ческая обработка осуществляется на глубине, а не на
поверхности; полем положительных, а не отрицатель-
ных температур. При этом величина этих температур
достаточна не только для прогревания грунтов, но и
их упрочнения обжигом.

Нагревательная скважина является исходным пун-
ктом формирования теплового потока и развития всех
процессов, сопровождающих нагревание и охлаждение
грунтовых массивов. Этим определяется необходимость
и важность более полного исследования ее технологи-
ческих возможностей и параметров процессов, к числу
которых прежде всего относятся тепловая мощность,
температурное поле и газопропускная способность на-
гревательной скважины.

Проблема передачи тепла в грунтовый массив вок-
руг скважин рассматривалась в предыдущих работах с
точки зрения управления температурой газов внутри
скважины путем изменения количественного соотно-
шения между сжигаемым в них топливом и сжатым
атмосферным воздухом. Попытка применения извест-
ных, в основном в области нефтегазовой отрасли, тео-
ретических положений в интересах глубинного термо-
упрочнения грунтов показали значительные расхожде-
ния с результатами экспериментов. Причина расхож-
дений заключается в существенных отличиях нагрева-
тельных скважин от нефтегазопромысловых. Для на-
гревательных скважин характерны относительно не-
большие глубины порядка 2--25 м и создаваемые в них
избыточные давления в пределах 0,01--0,2 МПа, крат-
ковременность функционирования, как правило, не бо-
лее 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 де-
сятков МПа, а время исчисляется годами, причем ра-
диусы влияния составляют сотни метров.

Процесс теплообмена системы ’’нагревательная
скважина — грунтовой массив” в общем случае проис-
ходит за счет передачи тепла массопереносом с нагре-
тыми газами Qr и через минеральный скелет грунто-
вой стенки теплопроводностью, конвекцией и радиа-
цией Q4. Поэтому без учета потерь, уравнение теплово-
го баланса выразится связью

Q = чг+чл,	(2.1)

где Q - количество тепловой энергии, поступающей в скважину
с нагретыми газами или генерируемой в ее стволе в электронагрева-
телях, а также путем сжигания топливных смесей.

Количество тепла, передаваемого в грунтовой мас-
сив Qr в нагнетаемыми в него нагретыми газами, про-
порционально их объему дебиту Энг и теплосодержа-
нию Снг

^Г°°®НГ^НГ-	(2-2)

Значительно сложнее выявление параметров тепло-
обмена через минеральный скелет грунтовой стенки
скважин. Опыты показали, что даже в газонапорных
способах термоупрочнения грунтов пренебрегать этим
теплообменом можно далеко не всегда. С учетом реаль-
ных размеров нагревательных скважин, степени чер-
ноты атмосферного воздуха и продуктов горения топ-
ливных смесей удалось выразить величину в виде
совокупности функций, каждая из которых зависит
только от одного фактора, что весьма удобно для прак-
тических расчетов. Зависимость имеет вид

Чл = Гс(Тг'ТсХА1А2А3+А4А5Аб)’	(2-3)

где Fc - площадь стенки скважины, занимаемая твердыми части-
цами минерального скелета грунта, м$; Тг, Тс - температуры соот-
ветственно нагретых газов и грунта в стенках нагревательной сква-
жины, К; А| - функция, зависящая только от Тг; А2 - функция ра-
диуса нагревательной скважины ro; A3 - функция скорости газов в
стволе скважины Уг; А^ - функция приведенной степени черноты и
коэффициента излучения абсолютно черного тела, выражена через
Tr; Ag -- функция температуры нагретых газов Тг; Ag -- функция от-
ношения Тс/Тг.

Значения функций, определяющих Q., для реально
возможных пределов изменения аргументов го, Т.., Уг,
Те, Тг, К (табл. 2.1 и 2.2) и их графики (рис. 2.1) по-
зволяют вести теплотехнические расчеты.

Таблица 2.1

Температура нагретых газов Тг, К

Функция		т		—	_ —	—	—	
	373	473	673	1073 1	1273	1473
	2,25	2,16	1,98	1,62	1,44	1,26
Л4, Вт/(м2.К“) As-KJ	3,27	3,14	2,93	2,50	2,28	2.06
	0,52	1,06	3,05	12,40	20,61	32,02

Таблица 2.2

Функция скорости га- зов в скважине		Функция радиуса сква- жины		Функция отношения температур Тс/Тг	
Уг, м/с	Лз,(м/</Р8	•2 го, м	л ..“О,2  Л2, М '	Гс£г__	1  1 1  45 1  X 1  1 	i
0,1	0,16	0,1	1,546	0	1,00
0,5	0,57	0,15	1,462	0,2	1,25
1	1	0,2	1,381	0.4	1,65
2	1,74	0,25	1,319	0,5	1,88
3	2,74	0,3	1,274	0.6	2,18
4	3,03	0,4	1,202	0.7	2,53
5	3,62	0,5	1,149	0,8	2,95
6	4,19	0,6	1,111	0,9	3,44
7	4.74	0,7	1,075	1	4
8	5,28	0,8	1,046	—	—
9	5,79	0,9	1,021	—	—
10	6,31	1	1	—	—

Как следует из (2.3), величина Q_ прямо пропорци-
ональна разности температур (Тг-Тс) и находится в
сложной зависимости от температуры газов Тг, радиуса
скважины го, скорости газов в стволе Уг, атомного со-
става 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. Повыше-
ние температуры газов Тг снижает Aj и А4, но А5 уве-
личивает. Значения 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 нагрева-
тельных скважин

тенсивному нагреванию верхней части стволов нагре-
вательных скважин, что приходится учитывать при
конструировании герметизирующих скважины уст-
ройств.)

Количество тепловой энергии, передаваемой в
грунт через стенки скважины, точнее через ее внутрен-
нюю поверхность, массопереносом с нагретыми газами
Qr, в практических расчетах можно выразить в виде
Qr = КскУ^Ро-Р^С^,	(2.4)

где FCK - площадь стенок скважины, м3;	- скорость нагре-

тых газов при входе в стенку скважины при единичной депрессии
Ро'^а = Д’ м/(сМПа); Сод - объемная теплоемкость нагретых газов,
МДж/(м3 оС); Ро - давление в нагревательной скважине, МПа; Рд -
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 повы-
шением температуры, что приводит к дальнейшему
увеличению Qr (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Показатель	Температура газов Тг, К			
	800	| 1000	| 1200	|	1400
Объемная масса газов, кг/м3	0,458	0,365	0,305	0,260
Теплосодержание газов, КДж/(м3.К)	0,502	0,415	0,358	0,312
Объемное теплосодер- жание, МДж/м3	0,400	0,415	0,430	0,437

Вместе с тем, так как в большинстве известных
способов термоупрочнения грунтов нагнетание нагре-
тых газов осуществляют при температурах 1200--1400
К, то для приближенных расчетов, без существенной
ошибки, можно принимать величину Снг = 0,43-0,44
МДж/м3.

2.2	Температуры газов и стенки скважины

При исследовании температурного поля внутри на-
гревательных скважин нас прежде всего интересуют
соотношения между температурами газов и стенки
скважины, так как при достижении температуры спе-
кания 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 посту-
пают в скважину извне или генерируются в ней с
температурой То, уравнение теплового баланса прини-
мает вид

GrCo6To = GrCo6Tr+(l-n)(Tr-Tc)Ka,	(2.5)

где Gr - расход газов в единицу времени, м3/с; П - пористость
грунта в стенках скважины; Ка = (AjA2A3+A4AgA6), МДж/(с'К’м3).
Разрешая (2.5) относительно температуры газов
при входе их в стенку скважины, получим соот-
ношение

(2-6)

1 +КТ

где Кт = Ка(1-П)/СгСо5 - коэффициент, учитывающий влияние
теплообмена через минеральный скелет грунта в стенках нагреватель-
ных скважин.

Исследование (2.3) дает основание сделать следую-
щие выводы о возможных режимах технологических
процессов внутри нагревательных скважин, которые
зависят и определяются соотношением температур на-
гретых 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 стен-
ки Q4, т.е. наиболее интенсивно. Второй режим соот-
ветствует равенству температур Тг = Тс. Особенностью
этого режима является то, что в нем отсутствует тепло-
обмен теплопроводностью и конвекцией, так как этот
теплообмен наблюдается только при разности темпера-
тур. Теплообмен лучеиспусканием в этом режиме про-
исходит, но к изменению температуры стенки скважи-
ны и газов в ней не приводит. Третий режим может
иметь место, когда температура стенки становится вы-
ше 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 теп-
лопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием от
грунтовой стенки идет в обе стороны. При этом тепло-
вая энергия передается от стенки как в массив грунта,
так и в ствол скважины, нагревая находящиеся там
газы, которые, поступая в массив грунта с температу-
рой ТГ<ТС, охлаждают грунт в стенке скважины. Сле-
довательно, в третьем режиме количество тепловой
энергии, передаваемой в нагреваемый массив грунта,
становится минимальным.

Данное обстоятельство открывает возможность уп-
равления температурным полем в нагревательных
скважинах путем варьирования величинами Кт, То, Тг,
Тс (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 тех-
нологического режима нагревания грунтов

ха при нагревании его с использованием различных
видов генераторов тепла. В связи с этим возникает не-
обходимость изучения закономерностей расхода возду-
ха, доля которого в стоимости работ по термоуп-
рочнению грунтов может достигать 10--30%, особен-
но при использовании передвижных компрессорных
установок.

Путем сопоставления и сравнения расходов воздуха
на полное сгорание различных видов жидкого и газо-
образного топлив автору удалось показать, что количе-
ство воздуха в нормальном физическом состоянии, за-
трачиваемого на полное сгорание топлива не зависит
от вида топлива, а определяется только его теплотвор-
ной способностью, т.е. его теплотой горения. Результа-
ты этого сравнения показывают (табл. 2.4) возмож-
ность его практической реализации.

Из сравнения данных таблицы следует, что при
сжигании топлива затрачивается около 0,267 м3/МДж
(11,2104 м3/ккал) воздуха в нормальном физическом
состоянии. Все, что затрачивается свыше этого, в реак-
ции горения не участвует и расходуется на регулиро-
вание температуры продуктов сгорания топливных
смесей.

В связи с этим общий расход воздуха можно выра-
зить в виде
Таблица 2.4

Вид топлива	Теплота сгорания топлива		Расход воздуха на полное сгорание		Удельный расход, 10 м3/ /МДж
	МДж/кг	МДж/м3	м3 /кг |	м3/м3	
Нефть	41,94	—	11,2	—	267
Соляр	43,1-45,7	—	11,5-12,2	—	267
Мазут  Газы;	40,44	—	10,8	—	267
КОКСО- ВЫЙ	— .	18-20,2	—	4,8-5,4	267
генера- торный	-	6-6,6	—	1,5-1,6	267
природ- ный	—	33,3-35,6	—	8,9-9,5	267

G^BG^Q,	(2.7)

где В - коэффициент избыточности воздуха; GB0 - удельиый
расход воздуха, равный 0,267 м^/МДж; Q -- часовой или секундный
расход тепла по (2.1), МДж/с.

Выразим расход воздуха на единицу массы сжигае-
мого топлива соотношением

GT = Ок-Ол,	(2.8)

где GK - расход воздуха иа конвективный процесс, м^/кг; —
изменение расхода воздуха за счет теплообмена коидукцией и лучеис-
пусканием, м^/кг

Рис. 2.3. Определение расхода воздуха

я - кривая для теплообмена массоцереносом; б — графиче-
ское поле для учета влияния кондуктивного и радиационного
способов теплопередачи
Графическая интерпретация зависимости (2.8)
представлена на диаграмме (рис. 2.3) на примере сжи-
гания топлива с теплотой сгорания 42 МДж/кг. На ди-
аграмме величина М равна по модулю G при
Тс/Тг = 0 или при Тс/Тг = 2. Связь между М и Сл вы-
явлена в виде

Сл = М(1-Тс/Тг),	(2.9)

где М = Ка Fc/Co6GT, 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 рас-
ход воздуха сокращается по мере увеличения интен-
сивности теплообмена кондукцией и излучением. С
точки зрения расхода энергетических ресурсов наибо-
лее экономичным является такой технологический ре-
жим термоупрочнения грунтов, при котором отноше-
ние 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 сква-
жины GK в зависимости от температуры горения топ-
лива, 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 Ол 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, вели-
чина которой определяет высоту заходки, так как при
глубине скважины более длины факела ее ствол прихо-
дится 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 на-
гревателей ограничивается их конструкцией и мощно-
стью источников энергии. В ряде случаев с целью зо-
нального увеличения температуры факел специально
концентрируется на отдельных участках ствола. Ана-
логичный эффект достигается и посредством локально-
го увеличения мощности нагревателей.

2.3.	Тепловой дебит нагревательной скважины

Для оценки потенциальных возможностей нагрева-
тельных скважин целесообразно пользоваться поняти-
ем тепловой мощности скважин, подразумевая под ней
степень концентрации тепла на единицу поверхности
стенок скважин в единицу времени. С учетом зависи-
мости (2.1), (2.3), (2.4) это можно выразить соотноше-
нием, МДж/(см2)

Qo = УДРо-Ра)^ Тг+(1-П)Ка(Тг-Тс).	(2.10)

В такой постановке вопроса тепловой дебит нагре-
вательной скважины характеризует ее возможную или
действительную производительность, величина кото-
рой, как это следует из (2.10), определяется сложной
совокупностью различных факторов. В связи с тем,
что значения У1( ТГ,ТС, Ка могут изменяться по высоте
скважины, прорезающей неоднородные напластования
грунтовой толщи, зависимость (2.10) может быть при-
менена для отдельных слоев и результаты затем сум-
мированы. Наибольшую сложность в этом направле-
нии представляет проблема определения скорости газов
в стволе, величина которой непрерывно изменяется по
глубине скважин, и определения ее связей со скоро-
стью входа нагретых газов в грунтовую стенку, чему и
посвящается следующий пункт данной главы.

2.4,	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 этих факторов, фактически определяющих газопро-
пускную 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 Ур на произвольной глубине х связь меж-
ду давлением Р и температурой Т получена в виде,
удобном для интегрирования:

dy , dP ч у	dT У

+	-----(-----)—=-Ру> (р-Ы- (211)

rfx	dx р dx Т

Теоретически доказано, что давление газов в стволе
нагревательных скважин для принятых в практике
глубин изменяется по экспоненциальному закону, при-
чем показателем экспоненты ввиду малости можно
пренебречь и считать давление постоянным по всей
высоте. Данное положение подтверждено непосредст-
венными измерениями в полевых условиях многими
испытателями, в том числе на скважинах глубиной до
25 м. В общем виде температурное поле внутри сква-
жины также можно выразить экспонентой с пока-
зателем с, что дает возможность получить решение
(2.11) в виде

ес(Н-х) + __2fL_ уес(Н_Х) , (2 12)
crQ	J ’

У = У1(Р0-Ра)

где Н — глубина нагревательной скважины, м; П — пористость,
точнее просветность грунта в стенках.

Для равномерного температурного поля по стволу,
чаще всего достигаемого при использовании погруж-
них нагревателей, т.е. когда Р = Pq и Т = То, имеем
из (2.12) соотношение

У = У! (PQ - Ра) [1 + —_ (Н-х) ].	(213)

Го

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 зави-
симостью соответственно при х = 0 и с = О
Уо = У1 (Д - Pj [е сН +  -- (е сН -1) ];	(2.14)

его

2П

У0 = У1(ро-Ра)(1+ — Н).	(2.15)

ГО

Интересны опыты Р.Викова и М. Ботсета, 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 проницае-
мость газов снижается и составляет около 5--10%. Об-
работка этих опытов дала возможность выразить связь
между фильтрацией газов Мг, начальной Go и текущей
G степенями влажности среды в виде

Мг = e”5(G°2'g2)>	(2.16)

где Мг — 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 ком-
понентов пористой среды оказывает влияние величи-
на давления, однако общая закономерность существен-
ного изменения не получает. Отметим также, что со-
гласно (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 генера-
ции газов в скважинах.

Испытание газопропускной способности скважин
холодным воздухом производят с применением уста-
новки И.М. Литвинова, включающей два тканевых
герметизирующих баллона, которые устанавливаются
друг от друга на расстоянии, равном высоте участка
скважины, подлежащего исследованию. Баллоны на-
полняются сжатым воздухом и герметизируют этот
Участок. Воздух в испытываемую зону и баллоны по-
дается от компрессора (рис. 2.4,а).

Однако данная установка при испытании скважин
нагретыми газами требует применения жаростойких
Рис. 2.4. Схемы испытаний газопропускной способности сква-
жин в грунтах

а — холодным воздухом; б — нагретыми газами; 1  скважины;
2  герметизирующий затвор скважины; 3 - расходомер; 4 - мано-
метр; 5 — многоточечная термопара; 6 — самопишущий прибор; 7 —
компрессорная установка; 8 -- всасывающий коллектор; 9 - гермети-
зирующие баллоны; 10 - уплотненный грунт

материалов для баллонов и не исключает прорыва на-
гретых газов из исследуемого участка в соседние. Поэ-
тому автором были предложены и совместно с В.А.
Трегубовым проверены два других способа испытаний
нагретыми газами (рис. 2.4,6). Технология этих спосо-
бов заключается в следующем. Скважины разбивают
на заходки, соответствующие мощности слоев с раз-
личной 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 испыта-
ние заходок снизу вверх с заполнением их после испы-
тания грунтом. При этом дебит каждой заходки, начи-
ная со второй, вычисляют по формуле

k 1

Q3 = Qck- s Qf,	(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 арифме-
тические из трех измерений (по 6 мин каждое) не от-
личаются друг от друга более чем на 5%.

Результаты исследований показывают, что газопро-
пускная способность нагревательных скважин практи-
чески прямо пропорциональна величине избыточного
давления и мало зависит от изменения радиуса сква-
жин. 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. Сущ-
ность 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 на-
чала 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-
тых поровых пространств, разрывом замкнутостей при
испарении из них влаги, распрямлением чешуйчатых
и тонкопластинчатых частиц и других мало изучен-
ных факторов. Наиболее эффективным фактором роста
дебитов нагревательных скважин является избыточное
давление в них, способ проходки скважин, величина
удельной скорости Ур

2.5. Примеры расчета

Пример 1. Требуется рассчитать основные технологические
параметры нагревательной скважины глубиной Н ~ 10 м, ра-
диусом г0 = 0,1 м функционирующей в грунте с пористостью
П - 0,5 и Ур = 2 м/с. Сжигается жидкое топливо с теплотой
горения 42 МДж/кг, необходимо передать в грунт тепловой
энергии 24 354 МДж. По опытам У) = 500 м/(ч-МПа), Тг =
= 1000°С, Т = 800°С.
с

По табл. 2.1 и 2.2 или графикам (см. рис. 2.1) находим:
А, = 1,44 Вт/(с-0,8-м2’6-К); А2 = 1,381 м-0'2 ; А3=1,74 (м/с)0"8;
А4 =2,28 Вт/(м2 К4); As=20,61K3; Аб=2,95.

Площадь внутренней поверхности скважины FCK = 3,14Х
ХОД (0,1 + 10) = 3,17 м2. Площадь FcK = FcK (1 - П) = 3,17Х
ХО,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) Qr = 3,17-500-0,5Х
<0,433 = 343,2 МДж/ч, где 0,5 — избыточное давление в скважине,
МПа; 0,433 МДж/м3 — объемное теплосодержание газов, опре-
деленное по данным табл. 2.3.

Общая производительность нагревательной скважины по
(2.1) Q = 343,2 + 162,1 = 505,3 МДж/ч. Расход топлива во време-
ни бу = 505,3/42 = 12 кг/ч. Доля теплообмена массопереносом
и через стенки скважины составляет соответственно 67,9 и
32,1%. Продолжительность процесса нагревания грунта т =
= 24 254/505,3 = 48 ч.

Расход воздуха на 1 кг топлива в нормальном физическом
состоянии по графику рис. 2.3д для Тр = 1000°С (без учета
теплообмена через стенки) — 30 м3 /кг; с учетом этого тепло-
обмена на рис. 2.3,6 для Тс/Тг = 0,8—27 м3/кг.

Пример 2. Требуется рассчитать технологические параметры
нагревательной скважины по условиям примера 1 для значе-
ния Т = 950°С.
с
Аналогично предыдущему определяем Qn = 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 изме-
нения. Общая производительность нагревательной скважины
Q= 343,2 + 51,3 = 394,5 МДж/ч.

Доля теплообмена массопереносом и через стенку сква-
жины соответственно составляют 87 и 13%. Продолжитель-
ность процесса Т = 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.
Для нагнетания этого объема воздуха величину избыточного
давления в скважине необходимо увеличить в 29/27 = 1,07 раз,
что составит 0,5-1,07 = 0,54 МПа. Удельный расход топлива
= 394,5/42 = 9,39 кг/ч. Продолжительность процесса 7 =
= 61,5 ч увеличилась по сравнению с предыдущим на 13,5 ч
за счет уменьшения теплообмена 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 нагревательной 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 соответст-
венно составляет 6737/61,5 = 109,5 кВт. Удельная мощность
электронагревателей для условий примера 1 и 2 соответствен-
но требуется 14 и 11 кВт/м.
ГЛАВА 3.	ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА ВОКРУГ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН
	В ПРОЦЕССЕ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ

3.1. Характеристики миграции влаги
вокруг нагревательных скважин в процессе
термообработки грунтов

Изучение технологических параметров нагрева-
тельных скважин позволяет выявить основные факто-
ры, управляющие количеством тепловой энергии, пе-
редаваемой в грунтовый массив при различных режи-
мах термического упрочнения грунтов. Однако эта
энергия может быть использована по-разному. В связи
с этим можно сказать, что выявленные в гл. 2 техно-
логические параметры характеризуют потенциальные
возможности нагревательных скважин, а исследование
закономерностей температурного и влажностного по-
лей вокруг них имеет своей целью изучить пути наи-
более эффективной реализации этих возможностей,
прежде всего с точки зрения экономии энергетических
ресурсов и снижения длительности процесса.

Решение проблемы температурного поля вокруг на-
гревательных скважин связано с изучением неустано-
вившихся процессов тепло- и массопереноса с изменя-
ющимися во времени и пространстве характеристика-
ми сред. Известные приближенные разработки задачи
дают при сравнении с результатами эксперимента зна-
чительные расхождения.

Подобно тому как в керамической промышленно-
сти обжигу изделий предшествуют процессы их сушки,
тепловая обработка грунтовых массивов начинается с
удаления от скважин содержащейся в грунте свобод-
ной и физически связанной воды. При этом даже в от-
носительно сухих грунтах количество удаляемой от
каждой нагревательной скважины влаги исчисляется
тоннами. Часть этой воды в процессе упрочнения грун-
тов испаряется через дневную поверхность в атмосфе-
ру, другая — перераспределяется внутри грунтового
массива. При нагнетании из скважин холодного возду-
ха под давлением 0,05-0,27 МПа свободная вода отжи-
мается от стенок скважин в глубь массива. Если в при-
родном состоянии влажность грунта превышала предел
раскатывания, то после 5-10 ч непрерывной продувки
она 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, чем вы-
ше 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 ча-
стицами грунта и вязкости свободной воды. Опыты по-
казали, что полное испарение всей свободной и физи-
чески связанной влаги завершается при 170--200°С.
При этом часть влаги в грунтовом массиве, нагретом в
пределах 100--200°С, остается, причем ее количество
возрастает с увеличением природной влажности грун-
та. 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 от-
жимается от стенок скважин, нагревается, испаряется,
перемещается вместе с парами по направлению тепло-
вого и газового потоков, конденсируется и процесс ис-<
парения-конденсации многократно повторяется. Поэто-
му, как показали исследования автора, на некотором
вполне определенном расстоянии от стенок скважин
влажность грунта остается выше природной и образу-
ется своеобразный порог влажности, непрерывно пере-
мещающийся в глубь нагреваемого массива грунта. Об-
разующийся порог влажности препятствует свободному
распространению газового и теплового потоков. Зона
формирования порога влажности соответствует темпе-
ратурному интервалу в 60--80°С. Увеличение влажно-
сти грунта на пороге, таким образом, является резуль-
татом совокупного воздействия термической диффу-
зии-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 пара-
метры 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 неко-
торое время после начала термообработки, основным
тормозящим фактором становится зона испарения-кон-
денсации 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. макси-
мальная 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 теплооб-
мена вокруг нагревательных скважин существенно ос-
ложняет многообразие видов содержащейся в грунте
влаги, различные температуры ее испарения и конден-
сации паров, разнообразие форм системы порового про-
странства упрочняемых грунтов. Оказалось, что наибо-
лее просто эти факторы можно учесть изменением теп-
лопроводности и теплоемкости грунта в окрестности
точки кипения-конденсации влаги по методу А.В. Се-
люкова. Количественные же характеристики степени
влажности достаточно полно выявляются эксперимен-
тально формой порога влажности грунта в массиве, по-
зволяют упростить модель теплового поля путем заме-
ны дифференциального уравнения движения влаги за-
висимостью влажности грунта от температуры его на-
гревания. Форма порога влажности с достаточной для
практики точностью аппроксимируется совокупностью
параболических кривых с показателями степеней, за-
висящими от избыточного давления в скважинах, сте-
пени гидроизоляции поверхности земли вокруг сква-
жин, начальной влажности и вида грунта.

Непосредственные измерения показали, что тепло-
вая энергия, затрачиваемая на испарение содержащей-
ся в грунтах влаги, служит одновременно и источни-
ком прогревания более удаленных от скважин объемов
грунта при конденсации паров. Ввиду того что процесс
испарения-конденсации непрерывно повторяется, пере-
мещаясь от стенки скважин, грунт и содержащаяся в
нем вода за пределами зоны конденсации паров нагре-
ваются в результате выделения скрытой теплоты паро-
образования. При этом температура нагревания грунта
мало отличается от температуры конденсации паров
40
влаги. Данное обстоятельство подтверждается рядом
исследований, касающихся нагревания грунтовых мас-
сивов, например К.А. Оганова, А.П. Юрданова. В
своей работе К.А. Оганов полагает возможным при-
нять температуру нагревания грунтового массива, точ-
нее поровой среды, за счет конденсации паров влаги,
равной температуре испарения этой влаги. Практика
многократных изменений в натуральных условиях по-
казала, что грунт и содержащаяся в нем влага выше
температуры конденсации влаги при испарении-кон-
денсации паров не нагреваются. Температуры конден-
сации отличаются от температур испарения влаги на
20--40°С. Однако для практических расчетов их можно
принять равными, что и сделано автором в качест-
ве допущения при выводе зависимостей теплового по-
ля, а связь теплообмена с влажностью среды представ-
лена в виде	2

~JK>

г _ сп1<х. w ~ ~ 2фГ

06 -	е ,	(3.1)

среды,

где Соб — объемная теплоемкость грунтовой

МДж/(м -°C); Сп - скрытая теплота парообразования, МДж/кг;
Тск " объемная масса скелета грунта, кг/м3; W - влажность грунта
в исследуемой точке; Ф = (Т3-Т2У6 - параметр закона нормального
распределения, °C; Т2, Т3 -- температуры начала и окончания испа-
рения-конденсации влаги, °C; Тк — температура среды, при которой

происходит наиболее интенсивное испарение-конденсация, °C.

1
s
!

I
!

I
t
I
I
01

Интегрирование (3.1) в интервале Тз-Т3 дает ко-
личество тепла, затрачиваемого или выделяемого при
испарении-конденсации влаги из единицы объема грун-
товой среды, а деление полученного результата на
величину скрытой теплоты парообразования — коли-
чество испарившейся влаги. Для учета воды, испарив-
шейся через дневную поверхность и не участвующую
в формировании порога влажности, вводится попра-
вочный коэффициент.

3.2 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.

1.	В теплотехническом отношении грунт считается
однородным изотропным материалом и представляется
системой плоских дисков, состоящих из частиц мине-
рального скелета грунта, разделенных газовыми про-
слойками, по поверхности которых распределена грун-
товая влага; число дисков определяется гранулометри-
ческим составом минеральных частиц грунта и его по-
ристостью.

Правомерность дисковой модели определяется вы-
явленной автором ранее неизвестной закономерности
переориентации глинистых частиц в направленном
тепловом потоке, обнаруженной экспериментальным
путем. Заключение о явлении переориентации сделано
на основании ряда экспериментальных данных. Преж-
де всего при испытании газопроницаемости грунтовых
массивов из связных покровных образований оказа-
лось, 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 стен-
кам скважин, во втором -- параллельны им. Установ-
лено было также, что в процессе термоупрочнения мас-
сивов грунтов при нагревании их от 900--1000°С в
стенках скважин с уменьшением температуры в ради-
альном направлении до начальной, массив осадки не
дает. Это можно расценивать как проявление законо-
мерности переориентации глинистых частиц, их пере-
компоновки, распрямление чешуйчатых форм, раскры-
тия замкнутых пор и результат образования в связи с
этим новых агрегатных систем.

Наконец, дисковая модель подтверждается и кон-
фигурацией частиц глинистых минералов, которые,
как известно, имеют толщину в 10--100--1000 раз
меньше двух других размеров соответственно для као-
линитов, иллитов и монтмориллонитов.

2.	Потери тепла через торцы скважины не учиты-
ваются, поскольку ее длина в 25--200 раз больше диа-
метра.

3.	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.

4.	Температурное поле внутри нагревательной сква- 
исины изменяется по зависимости (2.6). Температура
нагретых газов регулируется количеством подаваемого
в скважину воздуха, выражаемого соотношениями
(2.7) и (2.8).

5.	Теплообмен на поверхности скважины происхо-
дит по закону Ньютона. Тепловая энергия затрачива-
ется на нагревание минерального скелета грунта и во-
ды 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 по-
ристую грунтовую среду передается тепловая энергия,
которая расходуется на нагревание минерального ске-
лета грунта и влаги и испарение влаги. Тепловая энер-
гия передается через твердые минеральные частицы
грунта и с массой нагретых газов. Подлежит определе-
нию температурное поле вокруг нагревательной сква-
жины, продолжительность процесса, затраты энергети-
ческих ресурсов.

Распространение тепла в газовом потоке и в мине-
ральном скелете грунта описывается системой диффе-
ренциальных уравнений вида

dT	d2T d\ dT

=x +	। v,-’2 + y'« -

r0BBdT2a
r яв dr BB

(T- T),

(3.2)

где Bg, Вв -- размеры пор на входе в массив и текущие, с учетом
заполнения их влагой, м;

dT d2T d\ dT	\dT

ТГС~-=Х —+---------(----)2 +--

dT 'dr2 dT dr	rdr

2a

(T-T),

(3.3)
43
где Вт - приведенная 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-Ml.

Решение систем (3.2), (3.3) выполняется при следу-
ющих краевых и начальном условиях. Первое краевое
условие связывает температуры газов и грунта, замы-
кая систему в соответствии с зависимостью (2.6). Вто-
рое краевое условие определяется тем, что теплообмен
на внутренней поверхности стенок скважины, занима-
емой твердыми частицами, осуществляется по закону
Ньютона.

° (Г-Г) ,=,„=-ХТг—	(3.4)

Третье краевое условие находится из предположе-
ния, что температурные возмущения распространяют-
ся только в пределах заранее задаваемого из реальных
условий возможного распространения тепла, в преде-
лах радиуса теплового влияния нагревательной сква-
жины, который характеризуется на внешнем контуре
упрочняемого массива полной теплоизоляцией, т.е.
принимается, что

d Т

dr

 =0.
в

(3.5)

Начальное условие задается соотношением темпера-
тур грунта и газов в начале процесса. Весь грунтовой
массив вокруг нагревательной скважины можно услов-
но разбить на две основные зоны. Первая из них,
близлежащая к скважине, является рабочей, в которой
совершается термическое упрочнение грунта до расчет-
ной температуры Т , обеспечивающей образование и
сохранение во времени в последующем заданных
свойств в упрочненном грунте на внешнем контуре зо-
ны с радиусом гр. Вторая же зона, по сути дела, если |
не учитывать эффект интерференции смежных нагре- ‘1
вательных скважин, является неизбежной, но беспо-
лезной. Она, в свою очередь, состоит из двух подзон:
от внешнего контура гр до радиуса конденсации влаги
и ее паров гк, на обработку которой затрачивается теп-
ловая энергия; от контура гк к периферии, грунт в ко-
торой и влага в нем нагреваются без дополнительной
затраты тепла за счет его перераспределения в процес-
се охлаждения отработанных газов и конденсации па-
ров влаги.

Решение системы уравнений осуществляется сеточ-
ным методом с использованием неявной схемы, а ре-
шение системы сеточных уравнений -- методом после-
довательных приближений. В основе вариантной про-
работки задачи положено сравнение результатов реше-
ний с экспериментальными данными, полученными
при изучении температурных полей в натурных усло-
виях в грунтах, характеристики которых усреднены
(табл. 3.1). Полученные результаты считаются досто-
верными, если они расходятся с опытными в пределах
не более 20%. Варьирование факторов проводилось в
пределах их возможных практических значений по
шкале варьирования.

Исследуемый фактор

Шкала варьирования факторов

Радиус скважины, м.........0,05-0,10.15 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 . . . .0-0,02-0.05-0,1-0,2-0,5-0.8-1
Скорость нагревания грунта

в стенках скважины, °С/ч...50-100-200-400-600-1000

Температура стенки скважины,

при обжиге грунтов........500-600-800-900-950-1000-1050

при спекании..............1200-1400-1600-1800-2000

Коэффициент пористости
грунта.....................0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1-1,2-1,4

Степень влажности грунта . . . .0-0,2-0,3-0,4-0,5-0,7-0,9-1

Основными задачами вариантных проработок явля-
лись: выявление вида термограмм вокруг нагреватель-
ных скважин и возможности их аппроксимации для
практических целей; определение температурного поля
и размеров термоупрочненного массива грунта во вре-
мени при различных режимах нагревания и охлажде-
ния грунтов; оценка влияния различных факторов на
ход и конечный результат процесса термоупрочне-
ния грунтов; сравнительный анализ теоретических и
rn

я
sr
s

Ц

©
я

H
экспериментальных данных расхода энергетических
ресурсов.

Результаты решения задачи и сравнительного ана-
лиза с натурными измерениями сводятся к следующе-
му. На скорость распространения расчетных темпера-
тур Тр наиболее интенсивное влияние оказывает вели-
чина создаваемого в скважинах избыточного давления,
степень влияния которого тем выше, чем больше рас-
четная температура Тр упрочнения грунта на внешнем
контуре.

Физическая сущность этого влияния объясняется
тем, что увеличением депрессии возрастает скорость
нагретых газов при входе в массив грунта и увеличи-
вается тепловая мощность нагревательной скважины.
При этом газы, не успевая охладиться у стенок сква-
жины, фильтруются в периферийные зоны с более вы-
сокой температурой, чем при низких давлениях. При
этом термограмма уменьшает кривизну, непроизводи-
тельный сток тепла за пределы рабочей зоны сокраща-
ется, энергетические ресурсы расходуются более эко-
номно.

Скорость термоупрочнения грунтов увеличивается
и с возрастанием длительности процесса термообработ-
ки, однако менее интенсивно, чем при повышении из-
быточного давления. В связи с этим можно сделать вы-
вод о том, что при равных других условиях увеличе-
ния размеров термоупрочненного грунта следует доби-
ваться не за счет повышения длительности процесса, а
путем роста избыточного давления в нагревательных
скважинах.

Исследования показали, что характеристики тепло-
вого поля находятся в сложной зависимости от влаж-
ности грунта. Ее совокупное влияние проявляется в за-
медлении процесса. Вместе с тем оно уменьшается с
возрастанием избыточного давления и степени влажно-
сти грунта в природном состоянии до начала термооб-
работки.

Увеличение температуры стенки нагревательной
скважины приводит к росту количества тепловой энер-
гии, аккумулируемой близлежащим к скважине объе-
мом грунта. Одновременно наблюдается сокращение
стока тепла за пределы расчетного контура и тем боль-
ше, чем выше расчетная температура. Следовательно,
термоупрочнение грунтов целесообразно вести при
максимально высоких температурах нагревания грун-
та в стенках скважин, особенно это важно, когда
целью процесса является образование относительно
тонкостенных термогрунтовых конструкций.

Геометрические размеры упрочненного массива воз-
растают и с увеличением радиуса нагревательной сква-
жины. Однако это влияние ниже, чем выше рассмот-
ренных факторов. Для радиусов скважины более 0,3--
0,5 м, соответствующих на практике уширениям ство-
лов нагревательных скважин, более интенсивно рас-
пространяются высокие температуры, а кривизна тер-
мограмм уменьшается. При этом больше энергии акку-
мулируется грунтом ближе к стенкам и скорость рас-
пространения фронта высоких температур возрастает.
Так как на практике диаметр нагревательных сква-
жин 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 возра-
стает 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 ми-
нерального скелета грунтов в принятой модели на по-
рядок цифр практически не отражается на характери-
стиках температурного поля, что, по-видимому, связа-
но с большой удельной поверхностью частиц в единице
объема глинистых грунтов.

Интерес представляет тот факт, что температура
нагретых газов в массиве превышает температуру ми-
неральных частиц всего лишь на сотые доли градуса,
что было замечено и раньше И.А. Чарным.

Химико-минералогический состав грунтов, харак-
теризующий 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 на-
правлении.
Лучшую сходимость с опытами дают термограммы,
аппроксимированные кривыми вида

Т = То(1-г/гск)^,	(3.6)

где К - показатель термограммы, характеризующий ее кривиз-
ну, 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 - радиус теплово-
го влияния нагревательной скважины, м.

Нагнетание холодного воздуха или частично подо-
гретого воздуха в нагретый массив грунта через сква-
жины приводит к перераспределению температурного
поля. Холодный воздух, проходя через нагретый мас-
сив, подогревается, а затем отдает полученную тепло-
вую 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 рас-
стоянию 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 объе-
мы грунта. Продолжительность охлаждения грунтово-
го массива сокращается с увеличением избыточного
давления.

Средние расходы энергетических ресурсов на тер-
мическое упрочнение грунтов, характеристики кото-
рых приведены в табл. 3.1, различны (табл. 3.2). Ее
анализ показывает, что на испарение из массива со-
держащейся в нем влаги расходуется от 31,7 до 66,7%
всей тепловой энергии. Прослеживается также зависи-
мость коэффициента избыточности воздуха от пористо-
сти грунта, который возрастает с ее увеличением. Это
связано с возрастающим влиянием кондуктивно-ради-
ационного теплообмена по мере снижения пористости
грунта.

Характеристики экспериментов и расчетные пара-
метры температурного поля для исследованных видов
грунтов (табл. 3.3) позволяют рассчитать также и по-
казатели измерения температурного поля в натурных
условиях.

Для оценки эффективности способов термического
упрочнения грунтов целесообразно ввести понятия ско-
<л
О

Таблица 3.2

Услов- ный ио- мер грун- та по табл. 3.1	Расход энергетических ресурсов, подсчитанный на ЭВМ				Фактический расход энергетических ресур- сов по опытам		Отношение фактического расхо- да к расчетному	
	тепловой энергии		сжатого воздуха					
	всего, МДж/м3	в том чис- ле испаре- ние воды	всего, м3/МДж	коэффициент избыточности  воздуха	тепловая энергия, МДж/м3	сжатый воздух, м3/МДж	тепло	воздух
1	860	460	0,656	2,46	968	0,784	1,126	1,195
2	910	520	0,640	2,40	1020	0,812	1,121	1,269
3	810	330	0,722	2,71	920	0,890	1,136	1,233
4	820	260	0,876	3,28	910	1,018	1,110	1,162
5	820	290	0,842	3,16	920	1,053	1,122	1,250
6	900	600	0,778	2,92	1081	0,916	1,200	1,177
7	790	280	0,720	2,70	910	0,910	1,152	1,264
8	900	580	0,805	3,02	1052	1,073	1,167	1,333
9	800	360	0,676	2,54	930	0,860	1,162	1,272
10	930	660	0,595	2,23.	1141	0,903	1,226	1,518*
11	830	350	0,826	3,10	950	1,290	1,144	1,562*
12	900	570	0,794	2,98	1070	1,017	1,189	1,281

Примечание. Расход ресурсов рассчитан на объем грунта в радиусе температуры Гк; * затраты воздуха с учетом
продувки скважин и грунтового массива.

Т а б л и ц а 3.3

Условный номер грунта по табл. 3.1	Основные характеристики эксперимента			Расчетные параметры температур- ного поля			Характеристики измерения тем- пературного Поля
	избыточное давление в скважине, МПа	расчетная температура грунта, °C	продол жи- тельность обжига  грунта, ч	Тск, М	К	Среднее квадрати- ческое от- клонение, %	
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	
Продолжение табл. 3.3

						1			1
1 S						1			1 Й
! s						1  1	S		|S
1 «  1 X  1 X						1  1		fi- rs	1 03
! Си						1 1	X  3 _	о	
1 S						1		2»  CU	1 •©*
’ S	X					1	>> ।	а	i ьэ
X							а<		1 з>
1 *	О						о X	f	I о 1
1 X	о					1	3 н	m	1 2 <
1 X  1 ?	о £ Си					1  1  [	-Д -Q х а  X с	2	1 3£  1  1 * s
1 X						1	X о	J	1 is Си
1 га  1 CU						1	&1Л £ »£		1 &§
	о с					J			1 CQ 3
। А		|		с.	о	1  1			1  1
। >>		1 «		о	X	1			1
1 &  1 с		1 £ CU  I =[ Е1  1 8.S		D О  X	<и X О  X <,	1  1  1	о m	\©	1  I ’«O  1 cn
1 2		1 и	X	з"	xs£	1	сп		1 O\
1 *>		1					J			i
1		1 1				1 1			1  1
		1				1	©	©	1 00
1 s		। и:				1  1	©	*“Ч	1 о
1 Си		1				1			1
1 га						J			1
—	X					1 1			1  1
। 5	О	1				1			1
i	О					1  1	1Г)	00	1 ©
। о		1				1		©	1 00
I s.	£	1 “ 1				1	©		1 © 1
нт а]		-Иж	Л		ST	1  1			1 1
i-if		1 X 1 о	о о	03	«Г	1  1			1
1 S Си		С[  1 о		X £	X	1	©	©	°
1 с		1 Си 1 С	о	ю о	&	1	00	IT)	
1 °		1					д			1
1									1
			а.						
1 X							©		
1 X		1 S	но			1	сч	©	! °
1 О		I S	си	н		1	1	Ch |	!
1 Си		1 О		>,		1  1	©	©	। s
*		1 йИ  1	н	си		1 д	О\		1 00
। га		1							1
1		1 и				1			1
		1 о	X			1			
Основньн		Избыточн	I давление	скважине МПа		1 1  1 1  1 1	© 1  'О © ©	© © 1  © ©	1 00 1 © 1 ©
1 «		о				|			1
। -а		с				1			1
1 ®	си	Я <*>				1			1
1 §	о £	£ “ >,© e-g				1  1  1	©		

Ч
о
с

о
X

с
S

X
0$

л

&

в
рбсти термоупрочнения ар до расчетных температур и
коэффициента полезного действия КПД, которые мож-
но получить, исходя из следующих соображений.

На практике нас прежде всего интересует скорость
распространения фронта расчетных температур Тр —
ар, определяющая интенсивность формирования рас-
четного объема грунта. Принцип определения величи-
ны ар заключается в соотношении тепловой мощности
нагревательной скважины с удельными затратами теп-
ла на нагревание единицы объема упрочняемого грун-
та. За элементарный период времени dr из нагрева-
тельной скважины с тепловой мощностью Q будет пе-
редано тепловой энергией QdT . Это приведет к прира-
щению объема грунта dV = 2?rHrdr, нагретому по
внешнему контуру до расчетной температуры Тр, при-
чем на нагревание единицы объема грунта расходуется
Qy тепловой энергии. Исходя из этой схемы, можно со-
ставить дифференциальное уравнение

QdT = 9y2rHrdr,	(3.7)

после интегрирования которого получим соотно-
шение

*Р = Q/Qy = [ягН(г2-г02)]/т.	(3.8)

Если тепловая мощность нагревательной скважины
увеличивается во времени, то интегрирование произво-
дится аналогичным путем, например для закона изме-
нения QT -QrT выражение для ар получим в виде

а- =-----=_________ р о '

Физический смысл коэффициента полезного дейст-
вия КПД заключается в отношении обработанного до
расчетной температуры Тр объема грунта тгНц? к его
объему в радиусе теплового действия скважины или
радиуса конденсации влаги, т.е. лНг£. Следовательно,

КПД = (гр/гк)2.	(3.10)

Вид температурных кривых и аппроксимирующих
их термограмм (рис. 3.1 и 3.2), рассчитанных для
наиболее типичных из исследованных грунтов (соглас-
но табл. 3.1), показывает их хорошую сходимость.
Рис. 3.1. Общий вид температурных кривых

а  расчетная приведенная термограмма; б -- термограм-
мы для грунтов № 2, 3, 11 (опытные точки - по средним из
всех определений)

а)

Рис. 3.2. Термограммы при обжиге и спекании грунтов

а -- обжиг грунтов № 7--12 (по средним из всех определе-
ний); б - спекание грунтов в стенках скважин электронагрева-
телями для грунтов № 1-3 (по средним из всех определений)
Анализ данных (табл. 3.3) показывает, что величи-
на показателя термограмм для исследованного доста-
точно 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
и 1,16—1,33 раза. Как видно из показателей табл. 3.3,
величина этих отклонений относительно стабильна
и может быть учтена введением поправочных коэффи-
циентов.

3.3 Метод расчета технологических
параметров

Решение системы дифференциальных уравнений
(3.2) -- (3.3) позволяет рассчитывать все основные па-
раметры процессов термического упрочнения грунтов
вокруг одиночных скважин. Однако алгоритм и про-
грамма достаточно сложны и доступны только специа-
листам. Они требуют также определенного навыка от-
ладки программы с учетом реальных геотехнических
условий строительной площадки. Вместе с тем выяв-
ленные обобщенные закономерности процесса дают ос-
нование для решения задачи более простым методом,
с достаточной для практики точностью.

Прежде всего -- это вид температурной кривой
скважины-термограммы, описываемый аппроксимиру-
ющей зависимостью (3.6), в которой показатель степе-
ни характеризует совокупное влияние ряда факторов,
из которых, как показали исследования, наиболее зна-
чительными являются величины степени влажности
грунта в природном состоянии Спр, избыточного давле-
ния в скважине Р и длительности процесса Т. Для
значений '£ = 20 — 125 ч и Риз = 0,02 -- 0,2 МПа полу-
чено уравнение регрессии в виде

к = (1+4Спр)(0,5 - 1,21РНЗ - 0,001t).	(3.11)

При решении инженерной задачи важен и вывод о
возможности приближенного определения расхода теп-
ловой энергии в виде суммы затрат ее на нагревание
минерального скелета грунта и испарения из нагревае-
мого массива содержащейся в нем влаги. Такой инже-
нерный прием используется практически всеми иссле-
дователями способов термоупрочнения грунтов.
Если пренебречь ввиду малости величинами радиу-
са скважины и начальной температуры грунта, при-
нять закон изменения температуры (3.6), а также не
учитывать теплообмен при конденсации паров влаги,
тепловые потери и миграцию влаги за пределы радиу-
са теплового влияния нагревательной скважины, то
расход тепла можно представить в виде

т г г СК 11	'	J

Jo	J о

Q=Qcк + ^в=21I f dT f <co +*cD rdr +

0 D

+ *rK НУскСп W^-nrcl НУСК

Tq	T	t .«

J Co [1 - 2(------)’/* +

о	To

x_l_)2Ik]dT + fx [T- 2T(-^~) l*+T (-£-)2lk] dT j +
To	о	°

+ TJri HVCK cn w,	^312)

где Kc - коэффициент, учитывающий изменение удельной теплоем-
кости Со минерального скелета грунта с увеличением температуры
нагревания, МДж/(кг’°с2); Qg - 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

Q =irr2CK НУскСск —-L0— + тгг£ ЯУскСп W, (3-13)

V ск ск 1К2+К(к + 3)

2ТО + к(к + 3)Тк

где Сг1г = С. + Кс —----------------среднеиитегральное значе-

ск о п. 2 + Л(* + 3)

ние величины теплоемкости скелета грунта, нагретого от температуры То
до Тк, МДж/ (кг • °C).

Практика показала, что (3.13) завышает фактиче-
ский расход тепловой энергии. Причина заключается в
том, что тепловые потери составляют не более 5 —
10%, уменьшаясь с увеличением глубины скважины.
В то же время имеет место миграция влаги за контур
56
фронта испарения влаги, часть воды в количестве 4 —
22% остается неиспарившейся в массиве грунта, нагре-
том до 100 -- 200°С, грунт и вода нагреваются до тем-
пературы конденсации влаги за счет скрытой теплоты
парообразования, выделяющейся при конденсации па-
ров. Учитывая это, в результате интегрирования
(3.12) в пределах температур от Тк до То получим вы-
ражение

Q=%r2HycK(CCKTcp+CnW),	'	(3.14)

2ТО + к(к + 3) ТК

Где т =------------------------- среднеинтегральное значе-

Р 2 + £(£+3)

ние температуры нагревания скелета грунта. °C

Удельный расход тепла на 1 м3 термоупрочнения
грунта составит: в расчете на весь объем грунта, на-
гретого по внешнему контуру до температуры Тк, ра-
диуса гк

Qy.K = yCK(CCKTcp+CnW),	(3.15)

где TCD - вычисляется по данным зависимости (3.14); в расчете
на объем по внешнему контуру любой, отличной от Тк температуры
Тр, радиуса гр

О = У (С Т +CW)-------------.	(3.15а)

чу,р ^ск^ск^ср^^п”/ КПд	v

2ТО + Л(Л+3)ТК

где Тс - ---------------------- средняя температура для

2 + к (к + 3)

радиального теплового потока, °C, как и в (3.14); КПД = (гр/гк)?_
г коэффициент полезного действия по (3.10).

На основании приближенных зависимостей для оп-
ределения скорости процесса ар коэффициента полезно-
го действия нагревательной скважины КПД, затрат
тепла Qy и свойств грунта можно рассчитать прибли-
женно все основные параметры процесса.

3.4. Примеры расчета технологических параметров

Пример 1. Требуется рассчитать параметры термоупрочне-
ния грунта на глубину Н = 10 м в виде термогрунтовых ци-
линдров радиусом Гр = 0,5 м по внешнему контуру Т = 600°С.
По опытам Gnp = 0,345; W = 0,12; То = 1000°С; Тк = 80°С;
Со = 0,84 КДж/(кг-.°С); Ко = 0,0005 КДж/(кг °С2); ар =
= 0,157 м3/ч; Р = 0,2 МПа; Го = 0,1 м; у = 1473 кг/м3;
Сп = 2257 КДж/кг.

В соответствии с (3.9) определяем длительность процесса

Т = —-------------———= 48 ч. Затем по (3.11) вычисляем

0,157

показатель степени термограммы К = (1 + 4-0,345) (0,5 —
— 1,21-0,2 — 0,001Т) = 0,5. После этого согласно (3.13) нахо-

_______________ 2-1000 + 0,5(0,5+ 3)-80	,,
дим Сск = 0,84 + 0,0005-------------^Го^О^Тз) ’1Д2 К«жМкгХ

<°С). Тогда средняя температура нагревания

минерального

2-1000 + 0,5Х
х(0,5 + 3)-80

лета грунта в соответствии с (3.15а) составит Т =------:

СР 2 + 0,54

к (0,5 + 3)

= 570°С. Коэффициент полезного действия по (3.10) с учетом
2

fTl/K_Tl/K\
1 о	хр	I _

Т1/К _ Т1/К I
*0 к '

/10002

110002

6002 \2

802 /

0,415.

При этих условиях удельный

расход тепловой энергии по (3.15а) составит

Qyp = 1473(1,12-570 + 2257-0,12)/0,415 = 3227-Ю3 КДж/м3,'

Пример 2. Произвести аналогичные расчеты при услов]
Тр = 400°С, Риз = 0,02; Т = 56 ч; ар = 0,Зм3/ч.

По (3.11) находим К = (1 + 4-0,345) (0,5 — 1,21-0,02
— 0,001-56) = 1. В соответствии с (3.13) определяем Сск

- 1,03 КДж/(кг-°С), а по (3.15а) Тср = 387°С. Радиус распро-

Т

странения температуры

Р

= 400°С определяем из (1.5) г

= у/ 0,12 + 0,3-56/3,14-10	- 0,74 м. К = 0,425. О

’	пд ’ vy.p

= 1473(1,03-387	+	2257-0,12)/0,425 = 2320-Ю2 КДж/м3
ГЛАВА 4.

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
ТЕРМОГРУНТОВЫХ МАССИВОВ
И КОНСТРУКЦИЙ

4.1	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 природ-
ных свойств грунтов своеобразное термогрунтовое тело.
Его отличительной особенностью является неравноп-
рочность материала, изменение прочностных и дефор-
мативных свойств в зависимости от величины, продол-
жительности и скорости действия температуры. Дан-
ное обстоятельство открывает объективную возмож-
ность управления несущей способностью термогрунто-
вых образований путем изменения технологических
параметров процесса, формы, размеров и пространст-
венной ориентации в зависимости от величины и ха-
рактера внешних нагрузок, степени однородности и
природных свойств слагающих массивы грунтов.

Несущая способность и устойчивость термогрунто-
вых образований определяется прочностью связей меж-
ду частицами и их агрегатами, изменением минерало-
гического состава и химических свойств новообразова-
ний, повышенными силами внутреннего трения и
сцепления термически упрочненных объемов грунта с
исходной материнской породой.

Как было показано в гл. 1, прочностные характе-
ристики термообработанных в массивах грунтов преж-
де всего определяют величиной температуры нагрева-
ния при заданной скорости подъема температур и дли-
тельности ее действия. Экспериментально удалось уста-
новить, что в первом приближении изменение прочно-
стных характеристик, таких, как временные сопротив-
ления сжатию и силе сдвига, можно описать кривой
параболического типа, аналогичной (3.6), в виде

Ф = Ф(1-г/гск)м,	(4.1)

где <1>о -- прочностная характеристика грунта, обработанного при
температуре То в заданном режиме; М - показатель степени.

Совместно рассматривая (4.1) с (3.6), можно полу-
чить зависимость прочностных характеристик тер-
моупрочненных грунтов от величины температуры, а
именно

Ф = ol/M-fr/TJ1/*

(4.2)

Анализ (4.2) показывает, что в радиальном от

скважины направлении прочностные свойства термо-

упрочненного грунта уменьшаются по мере снижения
температуры нагревания грунта. В то же время пло-

щадь поверхности термогрунтового тела по внешнему

контуру непрерывно возрастает.

Данное

обстоятельство

приводит к беспрецедентному в инженерно-строитель-
ной 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 мак-
симальны, так как здесь наибольшая величина темпе-

ратуры обработки, но площадь внешней поверхности
сведена к нулю. По мере увеличения радиуса темпера-

тура обработки,

а следовательно,

прочностные

свойства

на сдвиг, уменьшаются, в то время как площадь по-
верхности внешнего контура увеличивается. Поэтому

несущая способность термогрунтовых свай по
поверхности вначале также возрастает. Затем,

боковой
начиная

с некоторого вполне определенного расстояния от сква-

жины, интенсивного грунта превышает прирост повер-
хности внешнего контура и несущая способность тер-
могрунтовой сваи трения начинает уменьшаться. Ха-
рактер этой зависимости можно выявить следующим
образом. Силы сдвига по внешней поверхности термо-
грунтовой сваи в соответствии с (4.1), на высоту одно-
родного слоя грунта по высоте ствола Нс, выражаются
соотношением

Рс = 2лг НсФо(1-г/гск)/у .

(4.з:

Исследуем (4.3) на экстремум:

-----=2лНс Фо(1 -г/гск)Л/-2л//с«

' Фо 4/--- (1 — r/rCK) 4/ - 1

гск

Полагая dPc/dr = 0, находим г = г^/Д+М), что со-
ответствует максимуму величины Рс. После подстанов-
60
ки в (4.3) выражения г = гск/(1+М) получаем формулу
для оценки максимально возможной несущей способ-
ности такой сваи трения

,.м
м

^с,тах= 2^ Wc гск	'	(4-4)

Графики зависимости величины Рс/Рс тах от отно-
шения г/гск показывают (рис. 4.1) экстремальный ха-
рактер этой связи.

Анализ (4.4) дает возможность выявить характер
работы таких термогрунтовых опор, несущая способ-
ность которых зависит от расстояния от оси скважины
расчетного сечения. Так как продавливание сваи при
действии внешней нагрузки может произойти по наи-
более слабому сечению, то вопрос о конструировании
узлов передачи нагрузок на ствол принимает важное
значение и требует дальнейшего исследования.

4.2	Приемы расчета термогрунтовых массивов
на действие сосредоточенных сил и грунта

В современном промышленном строительстве дейст-
вие сосредоточенных сил на основания фундаментов
является определяющим. В этом смысле даже прибли-
женная оценка несущей способности термогрунто-
вых массивов на такие силовые воздействия весьма
актуальна.

В первом приближении расчет термогрунтового
массива на действие сосредоточенной нагрузки Рв мож-
но 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, постоянст-
во относительной деформации G/E, а также линейную
деформируемость термоупрочненного грунта и закон
изменения напряжений в виде

G = 3PbFx-^osxp/2^R2x,	(4.5)

где X -- опытный коэффициент (для значения Х-1 имеет место
решение Буссинеска); F -- ширина фундаментной подушки, м.

Если сделать предположение, что уменьшение объе-
ма термогрунтового тела формируется только за счет
Рис. 4.1. Изменение несущей способности термогрун-
товых 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 уп
рочненного грунта, вытесненного под подушкой фун

дамента на единицу ее длины, то эта связь описывает

ся равенством

ТГ/1 Ro

SB = fdpjG/ERdR,

о о

(4.6)

где В - ширина фундаментной подушки, м.

Рис. 4.2. Схема расчета термогрунтовых массивов на
действие сосредоточенной силы
Интегрируя (4.6) вначале по R, а затем по р, после
подстановки величины R из (4.5), найдем искомую за-
висимость осадки S фундаментной подушки на термо-
упрочненном массиве грунта

В	8 7Г(ГГ2£П^	’	<4-7)

где р- 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

Go = MyRo,	(4.8)

где М = 0,1 - 0,2 — доля напряжений от бытового давления; у—
объемная масса термоупрочиениого грунта, т/м , Ro — заглубление
термогрунтового массива, м.

Величину заглубления термогрунтового массива,
следовательно, исходя из соотношений, выраженных
(4.7) и (4.8), в этом случае удается оценить зависи-
мостью

2АЧ / 3 I*' 1 Рв

(4.9)

Отметим, что статистической обработкой опытных
данных величина X определилась в пределах 1,86 —
2,21, а для электротермических способов достигла 4,1.
Анализ (4.9) показывает, во-первых, что эффектив-
ность использования термогрунтового материала в уп-
рочненных массивах возрастает с увеличением дейст-
вующей на них нагрузки Рв и коэффициента бокового
давления, £ , и, во-вторых, как следствие, что термо-
грунтовые массивы тем эффективнее, чем больше вели-
чина передаваемой на них нагрузки. В этом смысле
они могут быть рекомендованы для усиления основа-
ний и фундаментов при реконструкции действующих
предприятий, когда нагрузки на них по каким-то при-
чинам возрастают.

С учетом опытных данных из (4.9) величина сосре-
доточенной силы Рв, допускаемой на термогрунтовой
массив, будет выражена зависимостью
р 5	2Л(1+2?)ЛЛ

------------

3F

(4.Ю)

где Рв - вертикальная нагрузка на термогрунтовой массив, тс.

Результаты экспериментальных натурных испыта-
ний 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

Заглубление термогрунтового
массива в грунт Рд. м
Осадка, м:

расчетная по (4.7)
фактическая

Несущая способность термогрун-
тового массива, тс:

на 1 м3 упрочненного грунта
” 1 м заглубления массива

Сосредоточенная нагрузка на массив
Рв. тс

100	|	400	J 1000
3	4	4,7
0,12	0,80	3,07
0,28	1,60	2,54
8,11	14,32	19,11
30	120	192

В табл. 4.1 приведены усредненные характеристи-
ки 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 не-
сущую способность термогрунтовых свай и массивов в
просадочных грунтах в условиях их частичного и пол-
ного замачивания. В теоретическом плане таких иссле-
дований пока нет. В таких грунтах форма и размеры
упрочненных объемов грунта зависят от мощности и
характера просадочных свойств массива. Условие рав-
новесия системы заключается в том, чтобы суммарная
эпюра напряжений от собственной массы грунта и до-
полнительной нагрузки от зданий не превышала на-
чального давления просадочности грунта, а суммарная
осадка соответственно была не более допустимой для
данного типа зданий. В первом приближении для тер-
могрунтовых опор-стоек можно величину дополнитель-
ной нагрузки от окружающей ее грунтовой среды при
замачивании включать в состав нагрузки, действую-
щей 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 изу-
чение 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 находит-
ся в интервале 100 — 200°С, может быть образован
слой с силами трения и сцепления, меньшими при-
родных. 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°С/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 прак-
тически несжимаемые основания, несущая способность
определяется выражением

Р = K^F^,	(4.11)

где Kj = 1, коэффициент условий работы; К2 = 0,7 -0,85 - ко-
эффициент однородности термогрунтового материала в расчетном
объеме опоры; Fp -- расчетная площадь поперечного сечения термо-
грунтовой опоры, м^; Gcp -- величина среднеинтегрального сопротив-
ления сжатию расчетного сечения термогрунтовой опоры, тс/м .

В результате интегрирования зависимости (4.1) и
подстановки пределов выражение для Gcp получено в
виде

^ср

2 Go +М (М+3) Gp

2 + М(М + 3)

(4.12)

772—5
где GQ - значение временного сопротивления сжатию по оси опо-

ры, условно принимаемое в запас равным сопротивлению сжатия тер-
моупрочненного грунта в стенке скважины, тс/м^; Gp -- 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 учитыва-
ются в расчетах (табл. 4.2). Показатели таблицы сле-
дует умножить на Gp.

Таблица 4.2

м												•_
	1	12	31	4 1	5 1	6	7	8		10
0,25	1	1,67	2,42	3,13	3,85	4.56	5,26	5,96	6,68	7,42
0,5	1	1,53	2,06	2,60	3,13	3,67	4,20	4,73	5,27	5,80
1	1	1,33	1,67	2	2,33	2,6 7	3	3.33	3,67	4
1,5	1	1,23	1,46	1,69	1,91	2,14	2,37	2.60	2,83	3.06
2	1	1,17	1.33	1,5	1,67	1,83	2	2.16	2,33	2,5
3	1	1,1	1,20	1,3	1,40	1,5	1,60	1.7	1,8	1,9

Показатели эти дают основание для вывода о том,
что для термогрунтовых опор, подстилаемых практи-
чески несжимаемыми основаниями, основное значение
имеет характер термограмм, показатель которых суще-
ственно влияет на несущую способность опор.

Для термогрунтовых опор осадка S оценивается
следующими приближенными связями. Так как на-
грузка на такие опоры передается через жесткие рас-
пределительные подушки, то величина осадки будет
равной для всех точек поперечного сечения опоры, т.е.

S = P(H/Fp)Ecp.

(4.13)

где ЕСр -- среднее значение модуля деформации термоупрочнеи-
ного грунта, тс/м . Оно вычисляется по формуле, аналогичной (4.12)
с соответствующими показателями деформируемости Ео и Ер ио оси
опоры и на ее внешнем контуре.

После подстановки в (4.13) значения величины Р
из (4.11) получим

S = KiK2 и

_ _V

2 тг Гр £*р

(4,14)
Действие грунтовой среды на термогрунтовые кон-
струкции проявляется в обделках и подпорных стенах.
Приближенный расчет термогрунтовых обделок верти-
кальных выработок можно выполнить, используя
большой опыт проектирования ледопородных огражде-
ний при искусственном замораживании грунтов и учи-
тывая некоторые особенности термогрунтовых образо-
ваний. С учетом этого расчетная толщина термогрунто-
вой обделки А, образованной смыканием смежных тер-
могрунтовых цилиндров, определится из выражения

Л -гпР V----12---Ф	(4.15)

где GH - нормальная составляющая природного давления, тс/м^;
гПр - 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 дру-
гой, определяются из соотношения

гр = K1K2K3V(A/2)2+(Hc/2+0,01H)?,	(4.16)

где Кд -- опытный коэффициент, учитывающий интерференцию
температурных полей при смыкании смежных термогрунтовых ци-
линдров (Ко = 0,8 - 0,9).

В (4.16) величина 0,01Н вводится для учета воз-
можных отклонений нагревательных скважин в про-
цессе их бурения.

Термогрунтовые стены отличает ряд особенностей,
выгодно характеризующих по их сравнению со стенка-
ми, выполненными из традиционных материалов. Тер-
могрунтовые стены можно выполнять с эффективным
профилем, например с наклоном задней грани в сторо-
ну призмы обрушения грунта и с постепенным ушире-
нием сечения по направлению к подошве стены. Для
термогрунтовых стен характерно и то, что боковое дав-
ление на них снижается на расстоянии, где грунт на-
гревался до температур выше 300°С. Кроме этого, тер-
могрунтовые стены выполняются без нарушения есте-
ственной структуры грунта, чем также существенно
увеличивается их несущая способность и устойчивость.

Если задняя грань термогрунтовой стены наклоне-
на в сторону призмы обрушения под углом J3, то вели-
чина высоты стены Нп, свободной от давления со сто-
роны призмы обрушения, определится по известной в
механике грунтов формуле
2 С

Нп=-----

7

cos ip

tg2 (45° <p/2) cos2 [45°

(4.17)

где ip- угол внутреннего трения упрочненного грунта; С - сцеп-
ление термоупрочненного грунта, тс/м^.

Формулу (4.17) удобно выразить в виде соотно-
шения

/7П =К,

(4.18)

7

где второй сомножитель характеризует высоту стенки без креп-
ления при условии ее вертикальности (J3= 0) для идеально связного
грунта (ig = 0),а величина Кп показывает увеличение размеров стенки
за счет увеличения значений угла внутреннего трения в термоупроч-
ненном грунте и наклона стенки. Значения коэффициента Кп приве-
дены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

	0	I -5		Р - -			30	[/Л-
				15	1 20	1 25 1		
15	'	2,5	2.8	3.7	3,3			-	-
20	2,9	3.1	3.3	3,5	3,8		—	—
25	3.1	3.3	3,5	3,8	4.1	4.5	—	
30	3.5	3.7	3.9	4.1	4.5	4.8	5.2	7
35	3.7	3.9	4,1	4,5	4,8	5.2	5.6	7,3
40	3,9	4,1	4,5	4,8	5,2	5.6	6	7,7
45	4.5	5	5,2	5.5	5,8	6.1	6,5	8,2

Обобщение результатов непосредственных испыта-
ний термогрунтовых подпорных стен, обделок верти-
кальных шахт, опор показало, что приведенные зави-
симости могут быть использованы при проектировании
таких конструкций с введением в некоторых случаях
соответствующих поправочных коэффициентов.

4.3	. 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 ре-
комендуется проводить пробные испытания предвари-
тельно выполненных термогрунтовых конструкций с
использованием реально имеющихся оборудования и
средств контроля процессов упрочнения грунтов. При-
нятие решения о применении метода термического уп-
рочнения грунтов должно быть основано на результа-
тах инженерно-геологических изысканий строитель-
ных площадок, тщательность и детальность проведе-
ния которых возрастают с увеличением степени неод-
нородности напластования поверхностных отложений.
Исходя из этих предпосылок были проведены комп-
лексные испытания термогрунтовых конструкций в че-
тырех разновидностях связных грунтов, условные ла-
бораторные номера (по табл. 3.1) № 1, 2, 3, 4. Резуль-
таты исследований показали следующее.

Термогрунтовые сваи были выполнены термиче-
ским упрочнением грунтов через буровые скважины
диаметром 0,15 -- 0,2 м, глубиной 5 м в количестве
126 шт. Источником тепловой энергии служили жид-
кое, газообразное топлива и электрическая энергия.
При генерации нагретых газов внутри скважин темпе-
ратура стенок поддерживалась 900-950°С. Использова-
ние погружных электронагревателей позволило повы-
сить температуру до 1200 -- 1800°С и довести грунты
до спекания и размягчения. Для выявления доли несу-
щей способности термогрунтовых свай раздельно за
счет сил трения и сцепления по боковой поверхности и
за счет реакции грунта по подошве последнюю обна-
жали вскрытием грунта через специально выполнен-
ные для этой цели подходные штольни. Сваи испыты-
вали пробными статическими нагрузками с помощью
стандартных наземных загрузочных штампов и по-
средством выдергивания снизу гидравлическими домк-
ратами, 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 пока-
зано в гл. 1, комплексно разрушающими и неразруша-
ющими методами, а также испытанием образцов, ото-
бранных из упрочненных массивов грунта, в лабора-
торных установках. Из 126 свай 32 были выполнены
глубиной, точнее высотой меньше 5 м, таким образом,
что в чистоте их расчетный размер по высоте состав-
лял 2 и 3 м, а термогрунтовых свай, образованных че-
рез скважины глубиной 5 м, соответственно 4 и 5 м.

Результаты испытаний, приведенные к величинам
суммарных сил трения и сцепления по внешнему кон-
туру термогрунтовых свай трения (табл. 4.4), где даны
наименьшие из всех опытных значений данные, вы-
раженные в 102 МПа, могут быть рекомендованы для
расчетов.

Таблица 4.4

Условный лаборатор- ный № 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	
		1	1  1 1 1  1 w 1  1	1  1	1	4 5	1	1  1 w |  1 '   1 w  1	1  1  1	1  1	1	1 1 It  1  1  1  1  1  1  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 термогрунто-
вых свай составила соответственно в условиях естест-
венной влажности и при замачивании 64 -- 96 и 13,8—
20,7 тс/м. С некоторым запасом несущую способность
термогрунтовых висячих свай удалось выразить при-
ближенной зависимостью

Рвс = KBCDH,	(4.19)

где D -- диаметр термогрунтовой сван, м; Н -- высота термогрун-
товой сваи расчетная, м; Квс - опытный коэффициент, характеризу-
ющий 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 = KycirDHGCB,	(4.20)

где Кус - коэффициент условий термоупрочнения грунтов; GCB -
усредненное значение суммарных сил трения и сцепления по боковой
поверхности термогрунтовой сван, тс/м .

Эти зависимости относятся к испытаниям свай, об-
разованных путем обжига и плавления грунтов вокруг
стволов нагревательных скважин. Совершенно другие
показатели несущей способности характеризуют сваи,
образованные заплавлением стволов грунтовыми сме-
сями в незагерметизировнных скважинах. В этом слу-
чае термогрунтовые сваи выдерживают нагрузки в 5--
20 раз меньше, что было выявлено в процессе испыта-
ний на полигоне в г. Грозном ГПИ Фундаментпроект
и отмечено в п. 3.1 гл.З. Такое положение объясняется
переориентацией частиц глинистых минералов по на-
правлению теплового потока, который в этом слу-
чае направлен снизу вверх от забоя к устью ствола
скважин.

Показатели проведенных испытаний дают основа-
ния рекомендовать термогрунтовые сваи в качестве ко-
ротких, 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 наи-
более 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 термогрун-
товых свай соответствует их перемещению под дейст-
вием пробной статической нагрузки 5+0,5 см.

Таблица 4.5

После замачивания грунтов вокруг
свай трения

Gсв. тс/м2 Квс, тс/м2 Кус

№ Без предварительного за-
грунта мачивания грунтов

^св> тс/м21квс, тс/м2 Г/Сус

1	24,2	28	0,37
2	32,8	33	0,32
3	42,4	37	0,28
4	•48,7	34	0,22

12,3	14	0,36

15,8	17	0,34

16,1	13	0.26

11,2	10	0,28

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 верти-
кальных откосов и подпорных стен из термоупрочнен-
ных грунтов. Скважины диаметром 0,2 м глубиной до
7 м в каждом из исследованных грунтов (условные ла-
бораторные № 1, 2, 3, 4) проходились на четырех уча-
стках. На первом изучали характеристики устойчиво-
сти вертикального откоса без крепления, форму и раз-
меры призм обрушения грунтов до начала их термиче-
ского упрочнения. Для этого в предварительно увлаж-
ненном через скважины массиве грунта прорезали экс-
каватором траншею, последовательно ее углубляли и
контролировали высоту, при которой нарушалась вер-
тикальность откоса, а затем и устойчивость его в це-
лом. На втором участке выявленную призму обруше-
ния укрепляли сплошным термическим упрочнением
сползающего грунта. Такие работы со сплошным уп-
рочнением 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 рас-
стояние между ними варьировались таким образом,
чтобы можно было достигнуть предельного состояния
устойчивости за счет увеличения нагрузки от дополни-
тельной грунтовой подсыпки на призме обрушения от-
коса. На четвертых участках возводили термогрунто-
вые подпорные стенки однорядным размещением на-
гревательных скважин со смыканием смежных термо-
грунтовых цилиндров на расчетную толщину.

Устойчивость термоупрочненных откосов и подпор-
ных стен проверяли постепенным обнажением неуп-
рочненного грунта с одной стороны по всей исследуе-
мой высоте. Инструментально-визуальные наблюдения
за устойчивостью откосов и подпорных стен вели в те-
чение 10 -- 16 мес непрерывно. После этого высота
удерживаемого откоса увеличивалась путем послойной
засыпки грунта до предельной, вызывающей наруше-
ние устойчивости откоса и его частичное или полное
обрушение.
Испытания показали, что обрушение неупрочнен-
ных грунтов произошло по цилиндрическим поверхно-
стям, причем размеры призм обрушения поверху со-
ставляли 0,78 -- 0,9 высоты откосов. В результате тер-
мического упрочнения грунтов однорядным размеще-
нием нагревательных 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, начи-
налось с температуры обработки, равной 300°С. Поэто-
му расчетные размеры принимали по контуру этой
температуры. Показатели результатов испытаний этих
откосов (табл. 4.6) подтверждают эффективность при-
менения метода для таких целей.

Так как термоупрочненные до 600°С и ниже связ-
ные грунты подвержены сезонному выветриванию, то
наружные грани обнаженных термогрунтовых подпор-
ных стен выравнивали по контуру грунта, обработан-
ного при такой температуре, и на поверхность нано-
силась торкретная штукатурка по металлической сет-
ке, пристрелянной к упрочненному грунту. Такой спо-
соб подготовки поверхностей наружных граней термо-
грунтовых подпорных стен обеспечил их полную ус-
тойчивость против атмосферных воздействий на весь
период испытаний.

Следует отметить, что устойчивость термогрунто-
вых подпорных стенок в суглинке откосов котлованов
при строительстве трубопрокатного завода в Вороши-
ловграде 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- , м		
	ДО укр  расчет- ная вы- сота	епл ения  фактичес- кая вы- сота	После укрепле  расчетная	НИЯ  факти- ческая
Суглинок:	—				—	——	
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- ристый	1,9	2,4	5,6	7,5
4.4	. Примеры расчета термогрунтовых
массивов и конструкций

Пример 1. Требуется определить заглубление термогрунто-
вого массива под вертикальную нагрузку = 1000 тс в грунте
с объемной массой 7 = 1,8 тс/м3, средним модулем продольной
деформации Е = 1200 МПа, коэффициентом бокового давле-
ср

ния £ = 0,7. Нагрузка передается через распределительную по-
душку площадью F = 2 м2. Допускаемая доля напряжений на
внешнем контуре М = 0,2 от природного.

В соответствии с (4.10) находим Ро

3-2-1000

2-3,14(1 +

+ 2-0,7)0,2-1,8

= 4 м.

Пример 2. По данным примера 1 рассчитать термогрунто-
вую опору на несжимаемом горизонте при К 2 = 0,8; Go =
= 21 МПа, Gp = 8 МПа, М = 1.

По (4.12) определяем величину среднего значения времен-
ного сопротивления сжатию материала термогрунтовой сваи

G =	——— ——— = 12,33 МПа = 1233 тс/м2. На основании

СР 3

(4.11) находим требуемую

расчетную площадь опоры Fp -
= 1000/1-0,8-1233 = 1 м2. Осадку опоры определяем по (4.13)

S = 1000-4/1-120 000 = 0,033 м.

Н

Пример 3. Рассчитать обделку шахтного ствола глубиной

= 20 м и радиусом проходки Г

= 3 м по условиям преды-

пр

дущих примеров.

Нормальная составляющая природного давления GH =
= 1,8-20-0,7 = 25,2 тс/м2. Расчетная толщина обделки из (4.15)

А = зА/____

\у 1233 — 25,2

= 0,3 м. Длина окружности по кон-

туру шахты равна: 3,14(6 + 0,3) = 19,8 м. Принимаем 20 нагре-

вательных скважин на расстоянии 1 м одна от другой по окруж-

ности. Тогда радиус термогрунтового цилиндра по
= 1-0,8-0,85(0,3/2)2 + (1/2 + 0.01-20)2 = 0,49 м.

(4.16) Гр =

Пример 4. Определить параметры термогруитовой стенки
высотой Н = 10 м.
п

По (4.18) находим СКд = 10-1,8/2 = 9 тс/м2. Для Тр =
= 300°С С = 3 тс/м2 и = 25°. Следовательно, требуемое Кп =
= 9/3 = 3. По табл. 4.3 убеждаемся в правильности принятых
параметров и размеров.
ГЛАВА 5.	| ПРОИЗВОДСТВО РАБОТ

5.1	Основные способы термического
упрочнения грунтов

Как показано ранее, целью метода термического
упрочнения грунтов является целенаправленное воз-
действие на грунтовой массив тепловым потоком, па-
раметры которого и технология производства обеспечи-
вают образование термоупрочненных оснований, мас-
сивов и конструкций с наперед заданными, прогнози-
руемыми свойствами и сохранение их на весь эксплуа-
тационный период. Метод может быть также использо-
ван в интересах изготовления строительного материала
в виде камня, щебня и крупного песка.

В зависимости от задачи термоупрочнения грунта
используются соответствующие способы термоупрочне-
ния грунтов, виды генераторов тепловой энергии, ре-
жимы и последовательность производственных процес-
сов. Условно все известные способы термического уп-
рочнения грунтов можно разделить на четыре основ-
ных вида: 1 -- электротермическое упрочнение обжи-
гом 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 по-
гружных нагревателях. Для электрических нагревате-
лей используются термостойкие сплавы типа 0Х-
ЗОЮ5А аналогичные им, спирального и стержневого
профиля, запитываемые от внешней сети через транс-
форматоры, например типа ТПО-250/40/ПКУ4. Напря-
жение и сила тока поддерживаются соответственно 24 —
36 В и 1500 -- 2500 А. Установочная мощность зави-
сит от конструкции нагревателя, глубины скважины и
мощности источника питания. При использовании в
качестве теплового агента нагретых газов и скважины
нагнетается сжатый атмосферный воздух, генерируе-
мый в передвижных или стационарных компрессор-
ных установках, мощность которых и величина избы-
Рис. 5.1. Принципиальная схема основных способов термиче-
ского упрочнения грунтов

I - электротермический обжиг и спекание грунтов; II - сжига-
ние топливных смесей в скважинах; III -- спекание грунтовых сме-
сей в скважинах; IV -• генерация нагретых газов в агрегатах; 1 --
скважина; 2 - затвор; 3 - обожженный грунт; 4 - расплавленный
грунт; 5 -- форсунка; 6 -- электронагреватель; 7 -- трансформатор; 8—
внешняя электрическая сеть; 9 -- компрессор; 10 -- емкость для
топлива; 11 - ресивер; 12 - бункер для грунтовых смесей; 13 -- агре-
гат; 14 - трубопровод; 15 - манометр; 16 - термопары; 17 - прибор;
18 - гибкое соединение;	19 - вентиль

точного давления сжатого воздуха рассчитывается в
соответствии с зависимостями, приведенными в пред-
ыдущих главах. Температура нагретых газов обычно
не превышает 950 -- 1000°С. В качестве нагревателей
могут использоваться термографитовые стержни. В
этом случае температура внутри скважин достигает
1700-2000°С и грунт вокруг них, включая грунтовые
смеси, которыми стволы скважин заполняются после
монтажа в них графитовых нагревателей, расплавляет-
ся. Вокруг таких скважин образуются прямые цилинд-
рические термогрунтовые монолиты, путем смыкания
которых создаются термогрунтовые конструкции в ви-
де обделок выработок, подпорных стен, ленточных
фундаментов, плиты и т.п. Погружные нагреватели
улучшают создание равномерного и управляемого тем-
пературного режима внутри нагревательных скважин,
процесс поддается автоматизации и дистанционному
контролю. К этой схеме могут быть условно отнесены
и другие типы погружных нагревателей, преобразую-
щих различные виды энергии, например сверхвысоко-
частотной или лазерной. Несомненным достоинством
таких способов термоупрочнения грунтов является вы-
сокая культура производственного процесса, широкая
область практического применения за счет большого
диапазона изменения температур, что позволяет повы-
сить надежность и качество изготовляемых термогрун-
товых конструкций в условиях неоднородного напла-
стования грунта или различных включений, так как
спекать и плавить удается практически все виды ми-
неральных отложений, не разлагающихся при высо-
ких 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 мас-
сива, а по заходкам высотой 4 -- 5 м каждая. Некото-
рым сдерживающим фактором, тормозящим расшире-
ние области применения таких способов, служит отно-
сительно высокая отпускная цена электроэнергии. Од-
нако опыт последних лет показывает, что по мере воз-
растания цен на жидкое и газообразное топливо и рас-
тущей электрификации стоимость единицы генерируе-
мой тепловой энергии становится сравнимой, все менее
завися от вида источника ее генерации.

Наибольшее распространение 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 воз-
духа. При этих способах стволы нагревательных сква-
жины герметизируют специальными затворами, на ко-
торых монтируют средства сжигания топливных сме-
сей, подачи в скважины воздуха и автоматика контро-
ля процесса. Тип форсунок и горелок зависит от вида
сжигаемого топлива. Затворы, как правило, изготавли-
вают из железобетона и металла, иногда создавая в их
верхней части полости для циркуляции холодного воз-
духа, 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 тер-
мопар, 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 управле-
ния температурой. Недостатком таких способов явля-
ется то, что форсунки и средства контроля процесса
приходится монтировать на каждой из скважин.

Способы заплавления стволов скважин различными
грунтовыми смесями имеют то преимущество, что ка-
чество материала расплава поддается варьированию в
зависимости от требуемых расчетом прочностных и де-
формационных свойств. При этом добавками могут
служить примеси, уменьшающие температуру плавле-
ния 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 спо-
собы, основанные на генерации тепловой энергии и на-
гретых газов в автономных агрегатах, обслуживающих
одновременно несколько нагревательных скважин.
Трудности состоят в отсутствии технических решений
тепловой изоляции разводящих воздуховодов и нали-
чии относительно низких температур нагретых газов,
не превышающих 600 -- 700°С внутри агрегатов и око-
ло 400 -- 500°С при входе в стенки нагревательных
скважин. При решении этих вопросов этим способам
термического упрочнения открывается широкая перс-
пектива.

Кроме приведенных (см. рис. 5.1) способов может
быть применена различная их комбинация, позволяю-
щая например вначале осуществлять обжиг грунтов
вокруг нагревательных скважин, а затем, после обра-
зования термогрунтовых цилиндров заданной формы и
размеров, заплавлять стволы грунтовыми смесями. В
этом случае в центре термогрунтового цилиндра созда-
ется несущая конструкция из достаточно высокопроч-
ного материала, а вокруг нее менее прочный материал,
нагретый до температур, позволяющих, например, уст-
ранять 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 проса-
дочного грунта после его замачивания.
5.2	Оборудование для термического
упрочнения грунтов

Независимо от способа термического упрочнения
грунтов к оборудованию для него предъявляются сле-
дующие основные требования: надежность в работе в
условиях высоких температур и расчетных избыточ-
ных давлений; точность изготовления деталей и узлов,
герметичность их соединений; многократность приме-
нения, оборачиваемость; возможность изготовления
вспомогательного оборудования в построечных услови-
ях, в производственных мастерских.

Наряду с тем для оборудования конкретных спосо-
бов характерны особенности расчета и изготовления.
Для факельных способов сжигания топливных смесей
важнейшей частью всего комплекса является форсун-
ка. Последнюю требуется изготовлять с особой тща-
тельностью, причем отверстия сопла подлежат калиб-
рованию и должны быть строго вертикальными. Даже
незначительное отклонение таких отверстий от верти-
кали существенно затрудняет регулирование факела по
высоте стволов, усложняет узлы крепления форсунок
на затворе, а также создает условие для опасной кон-
центрации теплового потока на отдельных участках
стенок скважин, что, в свою очередь, влечет за собой
оплавление грунта, сокращение или полное прекраще-
ние фильтрации нагретых газов в грунт на этих оплав-
ленных участках. Рекомендуется иметь сопла несколь-
ких размеров, что позволяет заменять их на различ-
ных этапах процесса. Характер распыления и сгорания
топливных смесей, как показали опыты, зависит в не-
малой степени от качества изготовления диффузора.
Особое внимание уделяется плотности соединений и уз-
лов форсунки, нарушение которой влечет за собой сни-
жение избыточного давления в стволе, потери тепла и
воздуха и увеличение длительности работ.

Расход жидкого топлива приближенно можно оце-
нить расчетом (табл. 5.1) в зависимости от диаметра
отверстия для жидкого топлива и величины избыточ-
ного давления в топливопроводе.

При конструировании электрических нагревателей
в виде спиральной навивки стараются увеличить мас-
сивность спирали, принимая шаг спирали, равным 3 —
5 диаметра. В качестве изоляторов используются кера-
мические изделия с нарезкой в них канавок для на-
Таблица 5.1

Избыточ- ное дав- ление. МПа	Производительность форсунки по жидкому топливу, кг/ч, при диаметре отверстия для жидкого топлива форсунки, мм					
	».rj	0.4	0,6	0.8		1,2
0,01	0,14	0,58	1.30	2,30	3,60	5,30
0.04	0,29	1,15	2.60	4,60	7,20	10,20
0,09	0.43	1.73	3.90	6,90	10,80	16,30
0,16	0,58	2.30	5,20	9,20	14,40	21.60
0,25	0,72	2.90	6,50	1 1.50	18,00	26.50
0.36	0,86	3.45	7.80	13.80	21,60	31,80
0.49	1,00	4,00	9,07	16.13	25.20	38.90
0.64	1,15	4.61	10,37	18.43	28,80	42,00
0.81	1,30	5,18	11.66	20,74	32,40	48.10
1	1.33	5,76	12,96	23,04	36.00	54,20

вивки спирали, которую предварительно нагревают до
600 -- 850°С. Для измерения сопротивления нагревате-
лей используют мост постоянного тока типа Р-333.
Электрический ток и сжатый воздух подают в скважи-
ну 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 ис-
пользования таких нагревателей ствол заполняют тер-
мостойким сыпучим материалом, имеющим температу-
ру плавления большую, чем у грунта. Имеются также
предложения по защите термографитовых нагревате-
лей стальными экранами, которые предохраняют стер-
жни от сгорания.

При спекании грунтовых смесей в открытых ство-
лах трубопроводы подачи горючих смесей подвешива-
ют в устье скважин на приспособлениях, позволяющих
перемещать трубопроводы вверх по мере заплавления
ствола. Грунт перед погружением в бункеры обычно
предварительно высушивают и смешивают с добавка-
ми, 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 навивкой или приваркой уплотня-
ющей спирали, которая ввинчивается в грунт стенок
скважины при погружении затвора. Такие патрубки
надежно компенсируют избыточное давление со сторо-
ны скважины и улучшают условия разжигания факе-
ла и вывода нагревательной скважины на рабочий ре-
жим. Патрубки для визуального наблюдения за про-
цессом внутри скважин защищают термостойкими
стеклами. Они размещаются на затворе таким обра-
зом, чтобы просматривался весь внутренний объем
скважин. Так как в процессе термического упрочнения
грунтов возможны остановки процесса сжигания топ-
лива, перед началом работ в ствол вводится элект-
рический нагреватель, то патрубок для визуального
контроля используют для ввода запальников и термо-
пар, а также для вентиляции стволов при остановке
процесса.

Ввиду большого числа соединений на трубопрово-
дах подачи в нагревательные скважины топлива сжа-
того 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 прини-
мать работающими на том же виде энергии, что и на-
гревательные скважины: для электронагревательных
способов -- электрические, для факельных -- на жид-
ком топливе. Наиболее предпочтительны стационар-
ные установки, отличающиеся меньшей стоимостью
генерируемого сжатого воздуха и большей производи-
тельностью. В практике работ по термическому упроч-
нению грунтов нашли применение компрессоры типа
ЗИФ-55, ПКС-6М, ДК-9, ВН-10, 200-В, газодувки
1А32-80-4А. При вакуумировании скважин использу-
ют вакуум-насосы, например РМК-4. Для нагнетания
в скважины подогретого воздуха используют калори-
феры, например типа УСВ-300 и другой производи-
тельности.

Буровые установки должны отличаться высокой
производительностью, чаще всего на практике исполь-
зуют станки ССБ, СБА-500А, установки УГБ-50М,
ЛБУ-50, АВБ-5, БГМ-15.

В качестве приборов управления и контроля ис-
пользуют термопары типа ТХА, РРЗО, оптические пи-
рометры, расходомеры ДСР1-0.5, пружинные маномет-
ры ОБМ-1, амперметры и вольтметры, электрические
запальники, самозаписывающие приборы типа ЭПП-
9М, мосты постоянного тока, импульсные ультразвуко-
вые приборы ИМ-2, ПИК-7, нейтронные индикаторы
влажности НИВ-2 и другие приборы и пульты управ-
ления. Основное внимание уделяется соответствию
средств контроля и управления работе в условиях по-
вышенных температур и давлений, надежности конст-
рукций, возможности пользования ими в ночное вре-
мя, 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 упроч-
нения грунтов предшествует анализ данных инженер-
но-геологических изысканий, характеристик возводи-
мых или реконструируемых зданий и сооружений, ме-
тодов строительства, условий эксплуатируемых зданий
и сооружений, методов строительства, условий эксплу-
атации объектов, возможных для применения видов
топлива и энергии, оборудования, контрольно-измери-
тельной аппаратуры, а также учет опыта работ по тер-
моупрочнению грунтов в данном регионе.

Материалы инженерно-геологических изысканий
включают: разрезы и буровые колонки с характеристи-
кой напластования грунтов в пределах строительных
площадок, а также в контурах возводимых или рекон-
струируемых зданий и сооружений на глубину актив-
ной 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-ми-
нералогического составов грунтов до и после термиче-
ского упрочнения, из теплофизических свойств, а так-
же информацию о пористости, влажности, удельной и
объемной массе грунтов, данные о газопропускной спо-
собности и тепловой мощности нагревательных сква-
жин по результатам пробных испытаний; сведения об
уровне, режиме и составе грунтовых вод.
Для способов термоупрочнения грунтов с примене-
нием газов и электрической энергии в предпроектный
период получают технические условия на проектирова-
ние временных газопроводов и линий электропередач с
согласованием в установленном порядке мест и спосо-
бов подключения, трассировки сетей, потребляемой
мощности, состава проектов и исполнительной доку-
ментации.

Проектная документация на термическое упрочне-
ние грунтов разрабатывается в составе: инженерно-гео-
логические изыскания; обоснование принятого к про-
изводству способа термоупрочнения грунта в зависимо-
сти от его цели; план и профили расположения нагре-
вательных и вспомогательных скважин с указанием
контуров упрочняемых объемов грунта, узлов их со-
пряжения, в том числе с надземными конструктивны-
ми элементами зданий и сооружений; расчет термо-
грунтовых массивов и конструкций, их форма, разме-
ры, несущая способность и устойчивость, расход мате-
риально-технических и трудовых ресурсов, потребность
в оборудовании и приборах, продолжительность работ;
проекты временных газопроводов и линий электропе-
редач; схемы размещения оборудования, инженерных
сетей и коммуникаций, их расчет и технические ха-
рактеристики; проект производства работ.

Проект производства работ по термическому упроч-
нению 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 термоупроч-
нения грунтов; графиков производства работ с расче-
том 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 коэф-
фициента 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 безопас-
ности при работе в закрытых помещениях. Эти мероп-
риятия согласуются с заказчиками строительства. Кро-
ме 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 обору-
дования, инженерных сетей и коммуникаций, на при-
нятый к производству способ термоупрочнения грунтов
и тампонаж стволов скважин после окончания работ.

При разработке технологических карт пользуются
приведенными в предыдущих главах расчетными ха-
рактеристиками и рекомендациями. Если глубина
скважин превосходит длину факела или высоту актив-
ной части нагревателя, то процесс рассчитывают по за-
ходкам. При этом для факельных способов длина фа-
кела принимается до 8 и 12 м соответственно при сжи-
гании жидкого и газообразного топлив.

5.4	. Производство работ

Процесс производства работ по термическому уп-
рочнению грунтов условно можно разделить на три ос-
новных периода: подготовительный, основной и за-
ключительный. В подготовительном периоде осуществ-
ляют 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 провер-
кой ее функционирования и приведение в рабочее со-
стояние.

Разбивку осей под скважины проводят от основных
осей зданий и сооружений с отклонением не более чем
на 5 см. Бурение нагревательных скважин осуществля-
ют не ранее суток до начала процесса, так как при бо-
лее 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 горизон-
тальных стволов. В процессе проходки скважин прове-
ряют фактическое напластование грунтов и его соот-
ветствие данным инженерно-геологических испыта-
ний. При этом удобно пользоваться таблицей определе-
ния вида грунта по количественному содержанию в
нем глинистых частиц (табл. 5.2), доступной для бри-
гадиров и рабочих, осуществляющих бурение скважин.

Таблица 5.2

Грунт	Ощущение при та пальцами сухой	[	растирании грун- смоченный	Скатывание	
			шара	]	шнура
Глина	Жирная, тон- кая. песок не ощущается	Очень пластичная, вязкая, липкая, маже! руки и прилипает к ним	Легко, при раздавливании в лепешку не трескается	Диаметром до 1 мм, при сги- бании не трес- кается
Сугли-	Менее жирный.	Плас1ичен, вязок.	Скатывается,	Диаметром до
нок	ощущается присутствие песка	руки мажет. по при раздавли- сущесшенно мень-вании в лепеш- ше глины	к\ трескается		2 мм, при сги- бании не рас- падае гея
Супесь	Тощая, много мелких песча- ных частиц	Не пластична	Шар не скаты- ваегея, трес- кается и рас- сыпается	Лиаме гром до 3 мм, но при сгибании рас- падаемся

При несоответствии реального напластования грун-
тов проектному принимаются меры по корректирова-
нию принятых решений и изменению проектной доку-
ментации.

Бурение осуществляют установками ударного, вра-
щательного, турбинного и комбинированного типов. От
того, насколько тщательно подготовлены нагреватель-
ные скважины, зависит результат термического упроч-
нения грунтов. При использовании шнекового способа
бурения грунт в стенках уплотняется, поэтому, если
это не предусмотрено проектом для уменьшения ак-
тивной пористости стенки, уплотненный слой грунта
удаляют или разрыхляют.

Производственные испытания газопропускной спо-
собности нагревательных скважин осуществляют при-
нятым к производству оборудованием с нагреванием
газов до расчетных температур. Характеристики деби-
тов скважин ненагретым воздухом, как правило, за-
трудняют прогнозирование их тепловой мощности.
В зависимости от мощности компрессорного обору-
дования, глубин нагревательных скважин уточняют
число нагревательных скважин в каждой захватке. За-
тем монтируют оборудование, сети и коммуникации,
аппаратуру, опробуют систему и осуществляют под-
ключение 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 тер-
могрунтовых 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 темпе-
ратуры воспламенения горючих смесей. Для жидкого
топлива нагревают грунт в пределах 500 -- 600°С, для
газообразного — до 600 — 700°С. Затем регулируют
длину факела путем изменения величины скорости ис-
течения топливных смесей, избыточного давления в
скважине, длины погружения в ствол форсунок, кон-
центрации топлива. Рабочая температура стенок сква-
жин назначается проектом, она контролируется визу-
ально через смотровой глазок на затворе с использова-
нием оптических пирометров по шкале цветов, кото-
рые для глинистых грунтов изменяются от начальных
до светло-желтых.

Температура грунта, °C	Показатели изменения цвета

грунтовой стенки

500-600 ............................Грунт начинает светиться,

приобретая темно-коричне-
вую окраску различной по-
бежалости

600 900 ............................От темно-красного до крас-

ного цвета

900-1000. ..........................От красного до светло-крас-

ного цвета

Ю00-1200 ...........................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 фа-
кел кажется бесцветным. При увеличении температу-
ры факела его окраска делается светлее, при сниже-
86
нии, наоборот, становится более темной. Следует пре-
достеречь от типичной ошибки, допускаемой при опре-
делении температуры стенки скважины термопарами,
монтируемыми в поверхность скважины заподлицо. В
процессе нагнетания в грунт нагретых газов показа-
ния термопар соответствуют их температуре на входе в
грунт, а не температуре самого грунта. Чтобы опреде-
лить температуру грунта в стенках, необходимо оста-
новить процесс и произвести замер.

Одной из самых ответственных, сложных, требую-
щих 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 го-
рючих 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 за-
творов и их пригрузов не смогут им противостоять. В
результате больших хлопков герметичность скважин
частично или полностью нарушается и требуются меры
по ее восстановлению. Поэтому оператор должен в пер-
вую 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 контролиру-
ют температуру в скважинах с точностью +25°С, 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 конт-
ролируется системой термопар, размещаемых на опре-
деленном расстоянии от стенки нагревательных сква-
жин, чаще всего в радиальном направлении монтиру-
ют две термопары, соединенные с самопищущим при-
бором, например типа ЭПП-9М, класса точности 0,5.
Одна из термопар размещается на внешнем расчетном
контуре упрочняемого объема грунта, вторая — на по-
ловине длины этого расстояния. Термопары использу-
ют многоспайные с осуществлением замеров темпера-
тур и по глубине упрочняемого массива грунта. Для
монтажа таких термопар предварительно делают
шпуры, которые тепло- и газоизолируют с поверхно-
сти, предупреждая выход тепла и нагретых газов в ат-
мосферу.

При вынужденной остановке или затухании фор-
сунки следует вначале выключить подачу топлива. Ес-
ли по достижении расчетной температурой заданного
расстояния режимом предусматривается охлаждение
нагретого массива грунта, то сжатый воздух подается
в массив из нагревательных скважин. При этом шпу-
ры для монтажа термопар могут открываться.

Если используются автоматические пульты управ-
ления режимом, то особое внимание уделяется поддер-
жанию температуры стенки скважин, с достижением
которой предельного значения отключается подача
топлива или интенсивность подачи и наоборот.

Для способов с погружными нагревателями необхо-
димо контролировать температуру спирали или стерж-
ня нагревателей. Визуально это осуществляют по шка-
ле цветов металла (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Цвет каления

Цвет каления

Темпера-
тура, °C

Темпера-
тура, °C

550- 580 Темно-коричневый	830- 900 Светло-красный

580 650 Коричнево-красный	900 1050 Оранжевый

650-730	Темно-красный	1050-1150	Темно-красный

730	770	Темно-вишневый	1150-125(1	Светло-желтый

770	800	Вишнево-красный	1250 -1300	Ярко-желтый

800	830	Светло-вишнево-красный 1300-1400	Желто-белый

Расход электроэнергии контролируют счетчиками
активной и реактивной энергии, ток и напряжение —
амперметрами и вольтметрами. При этом контролиру-
ют температуру не только нагревателей, но и несущих
конструктивных элементов нагревательных устройств.
Она не должна превышать 950 -- 1050°С, в противном
случае снижается надежность функционирования на-
гревателей.

Отметим, что в процессе термоупрочнения грунто-
вых массивов от центра скважины в радиальном на-
правлении перемещается контур порога влажности,
который визуально видно на поверхности грунта в ви-
де удаляющегося от скважины увлажненного обруча,
гребень которого соответствует температуре 70 -- 90°С.
По этой окружности, зная величину расчетного пока-
зателя термограммы, можно ориентировочно опреде-
лять размеры термоупрочненного массива и без уста-
новки в грунт термопар. Однако при этом следует учи-
тывать, 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 жур-
нал работ. На его титульном листе указывают фами-
лии 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 про-
ектного режима, время и продолжительность отключе-
ния форсунок или нагревателей, факты прорыва газов
и принятые меры. При работе нагревательных сква-
жин 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, передислоциро-
вание их на другие захватки или объекты, сдачу работ
представителю заказчика, заполнение стволов сква-
жин. Приемку выполненных работ осуществляют пу-
тем проверки соответствия контуров и размеров термо-
упрочненного грунта, его прочностных и деформацион-
ных свойств проектным. Работы сдают представителю
заказчика по техническому надзору перед заполнени-
ем стволов нагревательных скважин с составлением
актов на скрытые работы вначале по каждой захватке,
а потом по всему объекту в целом. Приемку работ осу-
ществляют на основании: проекта производства работ,
технологических карт, актов геодезической разбивки
осей термогрунтовых массивов и конструкций, испол-
нительных схем, актов на скрытые работы, журналов
работ по термоупрочнению грунтов, актов испытаний
образцов грунта до и после упрочнения и актов испы-
таний термогрунтовых массивов и конструкций (если
это предусмотрено проектом).
Производство работ по устройству надфундамент-
ных конструкций зданий и сооружений, возводимых
на термически упрочненных грунтах, начинается по-
сле сдачи работ по термоупрочнению грунтов предста-
вителю технадзора заказчика.

В тех случаях, когда фактические размеры и фор-
ма термоупрочненных массивов грунта подлежат уточ-
нению, производят обуривание термогрунтовых масси-
вов шпурами и отбор образцов. Для ответственных
зданий и сооружений рекомендуется также предвари-
тельно провести пробные работы по образованию тер-
могрунтовых массивов и конструкций, а иногда и
вскрытие их на всю глубину с изучением парамет-
ров изменения прочностных и деформационных
свойств новообразований и связи их с температурой
нагревания.

5.5	Контроль качества работ
и техника безопасности

Контроль качества термического упрочнения грун-
тов проводится на всех этапах работ и имеет своей
целью обеспечение проектных размеров, форм и проч-
ности термогрунтовых образований в заданные сроки.
Как уже частично было отмечено, его основными зада-
чами являются:

соблюдение предусмотренных проектом технологи-
ческих параметров процесса: давления в скважинах,
температур нагретых газов и стенки нагревательной
скважины, температур в контрольных точках термоуп-
рочняемого массива грунта, расхода топливно-энерге-
тических ресурсов во времени;

поддержание заданного режима процессов: соотно-
шения 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, избы-
точного давления и скорости процесса, скорости ох-
лаждения массива после или в процессе термической
обработки грунта;

проверка герметичности стволов нагревательных
скважин, исключение утечки нагретых газов и сжато-
го воздуха в атмосферу через трещины в грунте вокруг
затворов, своевременное их тампонирование;

оперативное внесение изменений в проектные ре-
шения при несоответствии их реальным геотехниче-
ским условиям строительной площадки, в частности
характера напластования грунтов и их свойств, газо-
пропускной способности нагревательных скважин, про-
изводительности используемого оборудования.

Для нагревательных скважин, оборудованных сис-
темами автоматики, должна предусматриваться звуко-
вая или световая сигнализация, оповещающая опера-
торов о критических значениях технологических пара-
метров процесса. Многоспайные или односпайные пе-
редвижные термопары размещаются в нагревательных
скважинах и измерительных шпурах таким обра-
зом, чтобы на каждый разнородный горизонт грунта
приходилось не менее одного спая и не менее 2 м по
глубине.

Практика показала, что оптимальное число нагре-
вательных скважин составляет 15 -- 30 на одного опе-
ратора. При этом большее количество относится к спо-
собам электротермического упрочнения грунтов, затем
с применением газообразных видов топлива, а мини-
мальное 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 дан-
ные о составлении промежуточных актов на скрытые
работы до сдачи работ представителю технадзора за-
казчика.

Термическое упрочнение грунта в условиях их ес-
тественного залегания осуществляется при относитель-
но высоких температурах и давлениях, являющихся
факторами повышенной опасности и требующих стро-
гого соблюдения правил техники безопасности и про-
тивопожарных мер. Эти требования достигаются со-
блюдением безопасных условий труда, созданием про-
тивопожарной защиты участка работ и исключение до-
ступа в рабочую зону посторонних лиц.

К производству работ по термическому упрочнению
грунтов допускаются лица не моложе 18 лет, прошед-
шие специальное обучение и получившие удостовере-
ние на право работ, медицинское обследование, общий,
вводный или повторный инструктаж на рабочем месте.
Удостоверение на право ведения работ по термическо-
му упрочнению грунтов действительно в течение одно-
го года, по истечении которого оно продлевается или
заменяется с соответствующей проверкой знаний и на-
выка работы.

Место производства работ ограждают и освещают,
вывешивают предупредительные надписи. До начала
работ проверяют исправность всех механизмов, обору-
дования, средств контроля давления и температуры,
даты проверки приборов органами контроля, герметич-
ность всех соединений, запорных вентилей, а затем и
каждой нагревательной скважины. Размещение источ-
ников 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 толь-
ко в средствах индивидуальной защиты: брезентовых
рукавицах, маске электросварщика с жаропрочными
стеклами, брезентовом костюме. При использовании
запальника и в случае процессов с электронагревателя-
ми работы ведут в резиновых перчатках и сапогах с
применением резиновых ковриков. В холодное время
года операторы должны быть обеспечены теплой одеж-
дой 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 от-
ключить источник питания, а для топливных смесей —
топливо и только после этого -- воздух. Операторам за-
прещается также отлучаться одновременно с участка
работ по термоупрочнению грунтов и оставлять уста-
новки без присмотра. Установку каждой захватки, на
которой проводят термическое упрочнение грунтов, об-
служивают не менее двух операторов, один из кото-
рых -- старший смены.

Продолжение работ после устранения неисправно-
стей разрешает только старший оператор. О всех неис-
правностях, их причинах и мерах по их устранению,
результатах контрольных проверок старший оператор
делает записи в журнале работ. При работе в закры-
тых помещениях, в узких и глубоких выработках и
котлованах должна быть обеспечена надежная венти-
ляция. После вынужденной остановки форсунок и го-
релок, перед их последующим включением стволы на-
гревательных скважин обязательно вентилируют.

Участки работ по термическому упрочнению грун-
тов должны быть обеспечены средствами пожаротуше-
ния, телефонной связью и дежурной автомашиной, а
также средствами первой медицинской помощи. Про-
изводственную инструкцию по технике безопасности
для работ по термоупрочнению грунтов разрабатывает
строительная организация. Утверждается инструкция
ее главным инженером, хранится на месте работ.

5.6	. Технико-экономическая эффективность метода

Перспективность метода термического упрочнения
грунта обусловлена его относительно высокими техни-
ческими и экономическими показателями. Важным
преимуществом метода является минимальная матери-
алоемкость, так как первичным сырьем для изготовле-
ния 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 привоз-
ных материалов, достигается экономия цемента, ме-
талла и древесины, в результате чего, в свою очередь,
уменьшаются объемы транспортных перевозок и вы-
свобождаются мощности предприятий промышленно-
сти строительных материалов. Данное обстоятельство
особенно важно для объектов энергетического, сельско-
хозяйственного и нефтепромыслового назначения, для
которых характерны большая разбросанность объек-
тов, удаленность от производственных баз, отсутствие,
как правило, хороших транспортных коммуникаций.

Не менее существенным является то, что применяе-
мое для термического упрочнения грунтов оборудова-
ние и технология достаточно просты и доступны для
строителей, а в качестве источников энергии могут
быть использованы любые виды топлив, электриче-
ская, 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 оборот-
ные фонды строительных организаций, предприятий,
хозяйств.

Использование способов спекания грунтов сущест-
генно расширяет область практического применения
метода, так как размягчению поддаются не только
связные грунты, но и черноземы, пески и другие грун-
товые отложения, не разлагающиеся при высоких тем-
пературах. Обобщение опыта практического примене-
ния метода при строительстве и реконструкции ряда
строительных объектов показало его достаточно высо-
кую экономическую эффективность, что видно из при-
веденных данных (табл. 5.4), полученных обобщением
результатов работ при возведении 101 сооружения в
различных регионах страны. В этой таблице приведе-
ны объекты, по которым первоначальные проектные
решения оснований, фундаментов и подпорных стен в
виде бетонных, железобетонных, стены в грунте и си-
ликатизации 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 эко-
номия 2,73 млн руб.

Всего в настоящее время на термоупрочненных
грунтах возведено и реконструировано свыше 300 раз-
личных зданий и сооружений, технико-экономические
показатели выполненных работ аналогичны приведен-
ным в табл. 5.4 данным. Можно назвать несколько
объективных предпосылок перспективности примене-
ния метода в условиях строительных площадок в ин-
тересах возведения и реконструкции зданий и соору-
жений, 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 практи-
чески 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 материа-
лов возрастает с повышением температуры термиче-
ской обработки, изменяясь от начальной до присущей
Таблица 5.4

1 X 1 3 ' §  1 5  ' &	1 т	1  1	« S	1  it?.	{  S 2	1  '	ЯЙ	1  1	1	00	SO О *“Ч	об	59,2  14,2	1  I - ;^'s i счо i
1 s	1	1  1 «	1					i  i
| £	2		|		о		О	1 о
	о . Я	о		о	г- о	1 00
	1 О л Е(	’	ш		о	о	04
1 и  1 $	I У □	'	о		Os о	о '* Os	1 Os 1 „
1 S	1 " а г	1		СП	OS	’ч V)	1 ЧОСЧ
	1_ —	1					I
	1	f					1
1 о	1 - 1					
1 х	1 я	1					1
1 г» и	1 s	1					
- о			©	^0	с^	
1 X ю  ! 2 S.	1 а. н	1  ; § >	J	иЧ		Os	гп Ч, so so	1 л m  1 3<=>
		сч			сч <n	t Os Ф
। ё 2  । §54	1	1  1	 	1  1 *	1					(
1 Й 3	t	1  1 *	1	сч	00	00 Ch	'OS	1 i.  1 S°o
1 S ri				tn	tn H,	OsS
! *	1 S н	1  i_	-|	*“Ч	ич	сч	»~ч rn	1 —< о  1
I 2 -	1 ?-	i					1
1 о £						1
ч- S^					00	1 00
i В JX	2	О		SO	—> о	
1 X Ьк	' О	сч	00	SO	г-ц 00	so™
1 П о	! Г* Н	1		сч	00	сч m	1 so Ф
f	ь	]					1
	о	1					1
1 8 s । а * । >3 3	2	, s	1  о « о S Ц <о 1  s о н S 3 >>	tn	сю 00	OS  *“4 о	S OS OS cn io	! r-2  1 Pq
1 О 8	а и о 3 ₽ а. 1	f**	сп			1 ГЧ ©
1		-п	1					1
1 2 Т 6 Р 2	1  !<^= !  •° е и о а. 3		SO		CH  ГП	СЧ so 4, ’’Г	00	1  I *
1 Ц) X	S к к Н	1  1	сч			*-'	*“4	1 сч I
! «	'		-	-	1					
1 О 3!	1					
1 X	1					1
						
I S и		сч	сч	W“4	00	© .
1 З3 сп	1	—Ч	tn	**4	—•	00	1 M 1
1			1					1

К

Й	1 O.Q  1 ® «  1 2 °	s • Л H ex!"»  Q a) „ 3 ffl X		tn св х	св X	i	1  1	а  1	о  1	в	
О tt n x	x * ' Г, <-> !	©O a О . о -ч еч X		И	X св СХ X	3 £	1	Я*  о 1	сх  1	с	
О \  Ci. s1  G x '-'  — о	i Й 5  1 £ 0-	Ise S ag	3 сх	£	X  &-*	х	1 1	
3 S	i 5 *	Й Си		0>	О	о	1 а.	й я
§ 8.	1 S s 1 ю s	О Ю „ tX’SCL-	а	0 сх	О О	а	!	
x co  о 5  s »- x 2 ? * П н s о	1’^1 ? s> CX I * X ) « 2 i ® я 1 s£	о X(J = *и *2 . « 00 сох 5 °5* « я .л Й 2 g й s S	щекая обла< Фундамент		X я я ю н о о - ° 5 ° хи	с S S  Зя 0 S а.й_ . с <$ к о ж ю	е г ° - реднем на 1 мл	с£  0) д  S  8 св  S
в <o  M C3  C Q-	I ж „ 1	о в	&	S	ёу	§: о aS «		я о
o S	s §  I fiQ о	о35 з ss ё	£ Е 5 Я ар 3 хкьасСо				| Q О  1 СО со	о я
полускальным и скальным породам и строительным
бетонам. Разработаны способы управления температу-
рами нагревания грунтовых массивов и, следователь-
но, 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 изме-
нять в зависимости от параметров внешних воздейст-
вий, в частности избегая или существенно ослабляя
развитие растягивающих напряжений;

как известно, при устройстве фундаментных и дру-
гих конструкций в грунте из бетона и железобетона
образуется контакт двух сред, отличающихся показа-
телями 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 устойчи-
вости фундаментов. Термическое упрочнение грунтов
позволяет, как показано, создать термогрунтовые мас-
сивы с распределением в них прочности по закону из-
менения напряжений от внешних сил таким образом,
чтобы деформации упрочненных объемов по их внеш-
нему контуру были пренебрежимо малы или допусти-
мы. В этих случаях в грунтовом массиве создается са-
монесущий упрочненный объем, который хорошо восп-
ринимает нагрузки не только от вертикальных воздей-
ствий, но и от распорных конструкций;

при нагревании грунтов в пределах до 200°С, т.е.
до полного испарения содержащейся в грунтах свобод-
ной и физически связанной воды, и последующем ин-
тенсивном 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 фундамент-
ные конструкции;

термогрунтовые образования можно доупрочнять
или, наоборот, разупрочнять в зависимости от изме-
нившихся условий их работы на действующие нагруз-
ки. 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 стойко-
стью и долговечностью. Это позволяет использовать их
в качестве строительных материалов и заполнителей.
При заплавлении выработок, в том числе стволов сква-
жин в грунтовые смеси могут добавляться различные
катализаторы, снижающие температуру плавления и
расход энергии, повышающие или понижающие проч-
ность и деформационные свойства расплавов;

ресурсосберегающий характер метода определяется
реальной возможностью утилизации и многократного
использования затрачиваемой на обработку тепловой
энергии. Аккумулированная нагретым массивом грун-
та тепловая энергия может быть перераспределена пу-
тем охлаждения массива принудительным способом, а
нагретая влага и отработанные газы вакуумированы
для последующего использования. Потери тепла че-
рез дневную поверхность также поддаются сокраще-
нию устройством тканевых покрытий и уплотнением
грунта;

возможность применения метода в условиях дейст-
вующих производств в процессе их реконструкции, ха-
рактеризуемой ограниченностью зоны работ, стеснен-
ными условиями, затруднениями с применением стро-
ительных машин и механизмов. Для термоупрочнения
грунтов применяют малогабаритное оборудование, чис-
ло обслуживающих процессы рабочих -- минимальное,
материалы практически не нужны;

высокая степень механизации и автоматизация
процессов с дистанционным управлением, сокращаю-
щие затраты ручного труда и повышающие качество
работ и их безопасность;

технологичность сопряжения с другими конструк-
циями и материалами, возможность сопряжения с ар-
матурой из металла и принципиальная возможность
образования армированных термогрунтовых конст-
рукций;

химико-минералогический состав термогрунтовых
образований практически не отличается от соответст-
вующего состава строительных бетонов, изготавливае-
мых 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 слож-
ным 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, характеризу-
ющие перспективность метода термического упрочне-
ния грунтов, конечно же, не исчерпывают всех его по-
тенциальных возможностей и они будут раскрыты бо-
лее полно в процессе дальнейших исследований и
внедрения метода в практику инженерного строитель-
ства в народнохозяйственных масштабах.

Расчет экономической эффективности метода про-
изводится по стандартным методикам в соответствии с
требованиями СН 423-71 и СН 509-78. Методику расче-
та приведем на примере сравнения с аналогом в виде
монолитного бетона класса В 22,5, В 25, который за-
меняется термогрунтовыми фундаментами (табл. 5.5).

В соответствии с расчетными данными экономиче-
ская эффективность при замене бетонных монолитных
фундаментов на термогрунтовые с эквивалентной несу-

Таблица 5.5

Показатель себестоимости	Бетон класса В 22,5, В 25	Термогрунтовые фунда- менты (эквивалентные) при Тср, °C	
		900	|	1200
Трудоемкость, чел.-дн.	15,7	4,2	4,8
Фондоемкость, руб.  Расчетная себестоимость,	52.6	9,1	12,3
руб., в юм числе: а) прямые расходы:	66,54	28,30	29,92
заработная плата	33,52	13.82	15,79
материалы, энергия	18,62	9,45	4,82
оборудование, машины	14,40	5,03	9,31
б) накладные расходы:	14,44	4,59	5,25
159J от зарплаты	5,02	2,07	2,37
0,6 руб/чел.-дн.	9,42	2,52	2,83
щей способностью составит, руб/мЗ: Э1=(80,98-
-32,89)4 0,15(52,6-9,1)=54,61;	Э1=(80,98-

-35,17)4-0,15(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 Э1=(198,34-
-158,79)+0,15(271-111,6)=63,46 руб/м3.

В проектах Запорожского отделения НИИСК Госст-
роя СССР при замене силикатирования грунтов их тер-
мическим упрочнением показатели эффективности
приняты в следующих соотношениях: Э1=(17,57-
-5)4-0,15(3,31-4,71)=12,36 руб/м3.

В этих зависимостях первые слагаемые определяют
расчетные себестоимости работ, а вторые--- капиталь-
ные вложения в основные фонды. В принятых методи-
ках расчета эффективности изменением продолжитель-
ности работ в целом по объекту пренебрегают и учиты-
вают только размеры накладных расходов, зависящие
от трудоемкости работ и размеров заработной платы.

В табл. 5.5 для термогрунтовых фундаментов ука-
заны объемы, эквивалентные по несущей способности.
Для средней температуры обработки Тср=900°С они в
1,5 раза больше по объему бетонных, а для 1200°С --
равны им. Эквивалентность материалов в конструкци-
ях можно выразить исходя из следующих соображе-
ний. Как показано (см. табл. 1.2), термогрунтовые ма-
териалы в зависимости от средней температуры обра-
ботки можно классифицировать по прочности в зави-
симости от коэффициентов крепости, введенных в
практику расчетов проф. М.М. Протодъяконовым и
широко применяемых в расчетах подземных конструк-
ций и сооружений. В зависимости от коэффициентов
крепости представляются и различные марки строи-
тельных бетонов. В связи с этим можно поставить в
соответствие прочностные и иные показатели материа-
лов в зависимости от коэффициентов крепости Ккр, а
также и соотношение их эквивалентных по этим свой-
ствам 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 и средней
температуры термической обработки грунтов

Таблица 5.6

Ис- ход- ное значе- ние ^кр	0,5	1	Ккр заменяемой конструкции						
			2	3	4	5	6	7	8
0,5	1	1,86	 3,25	4,33	5,20	5,91	6,50	6,93	7,43
1	0,54	1	1,75	2.33	2,80	3,18	3,50	3.73	4,00
2	0,31	0,57	1	1,33	1,60	1,82	2,00	2,13	2,28
3	0,23	0,43	0,75	1	1,20	1,36	1,50	1,60	1,71
4	0,19	0,35	0,62	0,83	1	1,14	1,25	1,33	1,43
5	0,17	0,31	0,55	0,73	0,88	1	1,10	1,18	1,26
6	0,15	0.29	0,50	0,67	0,80	0,91	1	1,08	1,14
7	0,14	0,26	0,46	0,62	0,74	0,84	0,93	1	1,06
8	0,13	0,25	0,44	0,58	0,70	0,80	0,88	0,94	1

ется в определении соотношения объема термогрунто-
вых фундаментов при замене ими фундаментов с изве-
стными Ккр, используемого в деле материала.

По оси абсцисс находится Ккр материала заменяе-
мой 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°С 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°С
объемы бетона и термогрунта будут эквивалентны.

По табл. 5.6 находят соотношение объемов фунда-
ментов по эквивалентной несущей способности и изве-
стным Ккр заменяемых материалов, в том числе и тер-
могрунтовых. По формуле (1.2) определяется величина
Ккр термогрунтового материала в зависимости от Тср,
например для Тср=1100°С он равен 3. При замене ма-
териала с Ккр=2 объем термогрунтового материала бу-
дет составлять 0,75 заменяемого.
ГЛАВА 6.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА. НА-
ПРАВЛЕНИЯ ЕГО ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗ-
ВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

6.1.	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-
щем виде: по известным свойствам грунтовой среды,
характеристикам зданий и сооружений и условиям их
эксплуатации, заданной цели термоупрочнения грун-
тов необходимо запроектировать наиболее эффектив-
ный и экономичный способ, обеспечивающий решение
поставленной цели с минимальными затратами сил и
средств и продолжительности работ.

Выявленные закономерности, управляющие про-
цессами теплообмена, технологическими параметрами
нагревательных скважин и упрочняемого массива
грунта, формированием прочностных и деформацион-
ных свойств, образованных термообработкой грунтов
массивов и конструкций, позволяют комплексно иссле-
довать опыт и известные способы, выявить их достоин-
ства и недостатки и предложить новые технические ре-
шения, наиболее полно учитывающие геотехнические
условия возведения и реконструкции объектов с техни-
ческими 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 уп-
рочнения грунтов, являются вопросы интенсификации
технологических процессов и оптимизации их по кри-
териям продолжительности работ и затрат материаль-
но-технических и трудовых ресурсов, в том числе теп-
ловой энергии.

Для решения задачи интенсификации технологиче--
ских процессов необходим комплексный анализ зако-
номерностей связи технологических параметров нагре-
вательных скважин со свойствами грунтовых сред и
потенциальными возможностями метода конкретно
для реальных геотехнических условий строительных
площадок.

Обобщенным показателем интенсивности процесса
термообработки грунтов является величина средней
скорости распространения фронта расчетных темпера-
тур ар, выражаемая отношением тепловой мощности
нагревательных скважин Q, МДж/(чм2) к средним за-
тратам тепла на термообработку единицы объема грун-
та Qy, МДж/м3. Величина ар определяется по зависи-
мостям, аналогичным (3.8) и (3.9). Из анализа этих
зависимостей и следует искать пути интенсификации
процессов за счет увеличения тепловой мощности на-
гревательных 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 темпера-
туры конденсации паров влаги Тк. С учетом (2.10),
(3.14) и (3.15а) развернутое выражение для скорости
процесса термоупрочнения грунтов можно представить
в виде

тЦк\г
Ti/J

Р (6.1)

где дР - избыточное давление в скважине, МПа; Vj - скорость
входа нагретых газов в стенку скважины при единичной депрессии

Р— 1 )j м3/(ч-МПа); CQg - объемная теплоемкость нагретых газов,
МДж/(м3оС); Тг -- температура нагретых газов при входе в грунт,
°C; П - пористость грунта в стенках скважины; Ка - обобщенный
коэффициент теплообмена кондукцией и лучеиспусканием,
МДж/(ч’м2 оС); Тс - температура стенкн скважины, °C; Fc - пло-
щадь внутренней поверхности скважины, м2; То - температура в
центре скважины по ее продольной оси, °C; Уск - объемная масса
скелета грунта, кг/м3; Сск -- удельная теплоемкость скелета грунта,
МДж/(кг °С); Тср - среднеинтегральное значение температуры нагре-
вания минерального скелета грунта, °C; С;| - теплота парообразова-
ния влаги, МДж/кг; W -- природная влажность грунтовой среды; К —
показатель степени термограммы, аппроксимирующей кривую изме-
нения температуры от стенки скважины к периферии.

Зависимость (6.1) может служить исходным руко-
водством для разработки новых технических решений,

(т х!к

У1 ДРСоб Тг+ (1 - П) к.л (Тг - Гс)
Р	Уск (Q-к Т’ср + Gi ид
интенсифицирующих процессы термоупрочнения грун-
тов через буровые скважины и другие выработки. Рас-
смотрим некоторые из них, разработанные на уровне
изобретений и защищенные авторскими свидетельства-
ми СССР. Так как величина избыточного давления от
серийных передвижений компрессоров не превышает
0,2 -- 0,3 МПа, а этот фактор является одним из опре-
деляющих скорость фильтрации нагретых газов в
грунт, предложен способ создания дополнительного
давления в скважинах (рис. 6.1)*.

После бурения скважины 1 и герметизации ее за-
твором 2 с уплотняющим сальником 3 в верхней части
затвора на тросовой подвеске 4 закрепляют поршневое
приспособление 5. Затем по трубопроводу 6 с кольце-
вым распределителем 7 через отверстие 8 подают горю-
чие смеси и зажигают их. Поршневое приспособление
сбрасывают с высоты и создают дополнительное дина-
мическое давление в скважине, интенсифицируя про-
цесс фильтрации нагретых газов в упрочняемый мас-
сив грунта 9. Полное давление в скважине суммирует-
ся от давления поршня и скоростного напора газов.
Трубопровод 6 оборудован обратным клапаном 10, пре-
пятствующим выходу нагретых газов из скважины
при действии динамического давления поршня. Глуби-
на падения поршня фиксируется длиной подвески, сое-
диненной с автоматической лебедкой. Подачу горючих
смесей и их зажигание электрическим или иным за-
пальником 11 ведут периодически после поднятия пор-
шня в верхнее крайнее положение, который может
иметь и механический жесткий привод. Способ позво-
ляет увеличивать давление с увеличением глубины
скважины и при этом прорабатываются нижележащие
горизонты упрочняемого массива, которые, как прави-
ло, отличаются уменьшающейся по глубине газопрони-
цаемостью. Способ дает возможность заменить пере-
движные компрессоры типа ЗИФ-55, ДК-9, ПКС-6М,
ВН-10 и им аналогичные на воздуходувки и вентиля-
торы высокого давления, себестоимость генерации воз-
духа 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
укрепления грунта. Бюлл. изобр. № 28, 1981.


Рис. 6.1. Способ создания скважинах
дополнительного давления в
скважинах

I
£
t
t>
г
a
r
«
e
01

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 нагрева-
ния и охлаждения сте-
нок 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 уст-
ремляются 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-
чено, 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-
жина выводится на рабочий режим, газы входят в
грунт с температурой 1500 -- 1800°С. На использова-
нии этого явления разработан способ термоупрочнения

А.с. № 910928 СССР, МКИ$ EO2D 3/11. Способ термического
укрепления грунта. Бюлл. изобр. № 9, 1982.
грунтов с многократным нагреванием и охлаждением
стенок скважин (рис. 6.4), который создает большой
градиент температур и включает следующие опера-
ции*. Скважина 1, загерметизирована затвором 2 с
форсункой 3. После зажигания топливных смесей
стенки 4 скважины равномерно нагревают до темпера-
туры на 30 -- 50°С, ниже начала спекания грунта. За-
тем увеличивают содержание воздуха в топливной сме-
си 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 сме-
сей, и поднимают температуру газов в зоне факела,
пока стенка не нагреется до предельно допустимой
температуры. Процессы нагревания-охлаждения стен-
ки продолжают и повторяют многократно, пока рас-
четная температура не достигнет контура внешней
границы 5 упрочняемого массива грунта 6. Такая тех-
нология не только увеличивает температуру нагретых
газов, но и способствует перераспределению тепловой
энергии, аккумулированной ближними к скважине
объемами грунта.

Для способа спекания грунтов характерны два не-
достатка. В процессе заполнения ствола расплавом
приходится непрерывно регулировать длину факела
или поднимать погружные нагреватели, ввиду сложно-
сти извлечения их из скважины после заплавления
ствола. Кроме того, в результате стекания расплавлен-
ного грунта в ствол вверху него образуются полости,
которые заполняют потом инъекцией в грунт твердею-
щих 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 графитопесча-
ной 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-

* А.с. № 842130 СССР, МКИ3 EO2D 3/11. Способ термического
укрепления грунта. Бюлл. изобр. № 24, 1981.

•* А.с. № 927901 СССР, МКИ3 EO2D 3/11. Способ термического
укрепления грунта. Бюлл. изобр. № 18, 1982.
Рве. 6.6. Способ арми-
рования грунта в стенках
нагревательных скважин

гревания грунта на внешнем контуре 9 массива упроч-
няемого объема 10 фиксируется показаниями термопар
11 с самопишущими приборами 12. После этого сква-
жины разгерметизируют, извлекают трубопроводы и
термостойкий материал, а ствол заполняют, например
бетоном с армированием его по контуру стенки или без
него. Термостойкий материал позволяет создать раз-
ность температур между стенкой скважин и нагре-
тыми газами до 400 -- 600°С, что не только интенси-
фицирует процесс теплообмена, но и сокращает расход
воздуха.

Одной из наиболее проблемных тем исследования
метода является разработка способов термического уп-
рочнения грунтов с целью создания конструкций, вос-
принимающих растягивающие напряжения, возни-
кающие в несущих термогрунтовых элементах
(рис. 6.6)*.

В скважину 1 опускают арматурный каркас 2, с
помощью вдавливающего пуансона втапливают его в
стенку 3 с образованием защитного слоя 4. Затем по-
верхностный слой грунта в стенке скважины уплотня-

“ А.с. № 927900 СССР, МКИ$ EO2D 3/11. Способ термического
укрепления грунта. Бюлл. изобр. № 18, 1982.
ют механическим лидером с большим, чем скважина,
диаметром и монтируют электронагреватель 5, фикси-
руя его нижним диском 6. Пространство между стен-
кой и нагревателем заполняют термостойким материа-
лом 7 с температурой спекания 1800 -- 2000°С и за-
крепляют нагреватель верхним диском 8. После этого
подключают нагреватели к источнику питания через
трансформаторы и спекают грунт 10 до расчетной гра-
ницы 11. Термостойкий материал в данном способе
обеспечивает равномерное спекание грунта по всей вы-
соте 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 тепло-
проводность, что сокращает длительность процесса.

Из (6.1) видно, что на скорость процесса оказывает
влияние площадь внутренней поверхности нагрева-
тельных скважин. Для ее развития предложено не-
сколько способов, например имеющие технические ре-
шения, основанные на образовании в стенках скважин
вертикальных и горизонтальных прорезей, которые
после окончания термического упрочнения грунтов за-
полняются твердеющими растворами.

В практике инженерного строительства распростра-
нены работы по укреплению откосов на склонах гор и
косогорах. Один из способов, разработанных для этих
целей (рис. 6.7)', предусматривает скважины 1 и в уз-
лах 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. Сфериче-
ские уширения и образующаяся в результате форма
упрочненного массива соответствуют характеру дейст-
вующей нагрузки со стороны призмы обрушения. Уве-
личение расстояния в сфере от стенки скважины созда-
ет условия для возрастания температуры нагретых га-
зов, снижая расход воздуха и длительность процесса.

Для образования термогрунтовых опор предложен
способ укрепления грунтов, использующий энергию

А.с. № 914718 СССР. МКИ^ EO2D 3/11. Способ термического
укрепления грунта. Бюлл. изобр. № 11, 1982.
Рис. 6.8. Спекание грунтовых смесей
в стволах с устройством скважин буро-
взрывным способом

взрыва удлиненных зарядов (рис. 6.8)*. Вначале бу-
рят 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 смеся-
ми грунта с топливом и легкоплавкими добавками, за-
плавляя скважину расплавом 9 до проектной отметки
10. Уплотнение стенок увеличивает коэффициент теп-
лообмена Ка, сокращает тепловые потери в окружаю-
щий массив грунта. Заделка в более прочный слой
грунта увеличивает несущую способность термогрунто-
вой конструкции.

Для ускорения процессов фильтрации нагретых га-
зов в массив грунта хорошие результаты показали спо-
собы, позволяющие за счет устройства вспомогатель-
ных скважин вокруг основной, интенсифицировать
процессы, используя спирали и цилиндры из разрых-
ленного грунта. Так, способ (рис. 6.9 -- 6.12) осуществ-
ляется следующей совокупностью операций**. Вокруг
нагревательной скважины 1 образуют вспомогательные
скважины в виде спиралей 2 или цилиндров из раз-
рыхленного грунта 3. Витки спирали располагают в
объеме упрочняемого грунта 4 на некотором расстоя-
нии от его внешней границы 5, чаще равном половине
шага спирали. Верх спиралей герметизируют патруб-
ком 6 с вентилем 7, а скважину затвором 8 с форсун-

* А.с. № 1006607 СССР. МКИ3 EO2D 3/11. Способ изготовле-
ния грунтовой сваи. Бюлл. изобр. № 23, 1983.

** А.с. № 84129 СССР, МКИ3 EO2D 3/11. Способ термического
укрепления грунта. Бюлл. изобр. № 24, 1981.
кой 9. Факел 10 опускают ниже затвора. Нагретые га-
зы, 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 диа-
метром по сравнению с диаметром нагревательной
скважины. Для ускорения процесса фильтрации нагре-
вательных газов в стенках скважин 11 выполняют от-
верстия с помощью штырей 12 и пуансона 13. Отвер-
стия 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* вытяги-
ванием в плане (рис. 6.13), в котором нагнетание на-
гретых газов в грунт ведут через одну скважину, со-
здавая в смежных вакуум. Это позволяет более эффек-
тивно использовать термогрунтовые цилиндры, вытя-
гивая их в эллиптические формы, в которых длинная
полуось становится больше расчетного радиуса термо-
упрочнения грунта и смыкание смежных образований
идет более интенсивно и с меньшими затратами сил и
средств.

Предложены и другие технические решения, спо-
собствующие интенсификации процессов на базе ис-
пользования объективных закономерностей, управляю-
щих ими, в интересах повышения эффективности ме-
тода, которые можно условно классифицировать по
трем основным направлениям. Первое относится к уве-
личению тепловой мощности нагревательных скважин.
Определяющие факторы этого направления: избыточ-
ное давление, температура нагретых газов, форма и
размер скважин, пористость грунта в стенках, обоб-
щенный коэффициент теплообмена кондукцией и ра-
диацией, 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 избы-
точного 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. 6.9.
Схема перфори-
рования стенок
скважин пуансо-
нами

Рис. 6.10. Образование
вокруг скважин цилиндров из
разрыхленного грунта

Рис. 6.12. Способ термоук-
репления грунтов с использо-
ванием вспомогательных спи-
ральных скважин

Рис. 6.11. Схема размеще-
ния цилиндров из разрыхлен-
ного грунта в плане
направлению можно отнести комплексную интенсифи-
кацию процессов термического упрочнения грунтов, в
котором рационально используются позитивные сторо-
ны первых двух направлений с учетом реальных гео-
технических условий строительных площадок и путем
оптимизации известных способов по основным значи-
мым критериям. Некоторые сведения по этим направ-
лениям сведены в табл. 6.1.

К основным критериям оптимизации процессов от-
носятся расход тепла и воздуха, так как согласно (3.8)
и (3.9) длительность процесса обратно пропорциональ-
на скорости, а последняя в соответствии с (6.1) нахо-
дится в такой же зависимости от затрат тепла. Следо-
вательно, оптимизация процессов по расходу тепла
равносильна использованию критерия длительности.
При этом расход воздуха практически зависит от рас-
хода тепловой энергии и им определяется.

6.2.	Область практического применения метода

Метод термического упрочнения грунтов, как и
другие методы искусственного преобразования грунто-
вых сред, не является универсальным и имеет свою об-
ласть практического применения, ограниченную неко-
торыми 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 опреде-
ляется экономической целесообразностью выполнения
термогрунтовых образований, конкурентоспособностью
по сравнению с другими методами.

Можно назвать основные области практического
применения метода в интересах инженерного строи-
тельства. К ним относятся: образование защитных ог-
раждений для заглубленных сооружений до разработ-
ки грунта с устройством их вплотную со стенками соо-
ружений или же с оставлением пазух; создание обде-
лок горизонтальных и вертикальных выработок с раз-
мещением 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
Т а б л и ц а 6.1

Направление интенсификации	Краткая характеристика способов термического укрепления грунтов	Авторское свидетельство СССР, класс, бюллетень, год опубликования

Увеличение
тепловой
мощности
нагревательных
скважин

Уменьшение
сопротивления
массивов грун-
та

Комплексная
интенсификация
процессов теп-
лообмена

Повышение избыточного давления в нагревательных сква-
жинах. Воспламенение горючих смесей в ограниченном
объеме. Увеличение температуры нагретых газов. Много-
кратное нагревание и охлаждение стенок. Обжиг и спекание
грунтов и их смесей через термостойкий заполнитель нагре-
вательных скважинах. Развитие внутренней поверхности
скважин. Вертикальные и секторные прорези, уширение
ствола взрывом с добуриванисм пяты, несколько ушире-
ний по высоте ствола. Увеличение теплообмена кондуктив-
ным путем. Расплав грунтовых смесей в подвижных коль-
цевых камерах в стволах скважин и их заполнение. Оплав-
ление стенок скважин и последующая их перфорация

Вспомогательные полости и прорези вокруг нагревательных
скважин. Рыхление грунта, его вибрирование. Заполнение
вспомогательных скважин смесями грунта с топливом. Соз-
дание внутренних источников тепловой энергии в массивах,
введение интенсифицирующих добавок, нагнетание в грунт
тонкомолотых извести, кремнезема, углекислых солей. Ус-
корение процессов обезвоживания массивов, пароизоляция
дневной поверхности, гидроизоляция стенок вспомогатель-
ных скважин. Вакуумирование грунтов

Учет формы и размеров зданий и сооружений, вида внеш-
ней нагрузки. Образование ослабленного слоя-экрана во-
круг подземной части. Эллипсоидная форма термогрунто-
вых тел. Горизонтальные скважины по контуру подземно-
го сооружения с перфорацией стенок скважин. Наклон-
ные скважины с увеличивающимся по глубине уширениями,
выполненными удлиненными зарядами взрывчатых ве-
ществ. Сваи-оболочки из обожженных грунтов с запол-
нением стволов железобетонными конструкциями и заплав-
лением уширений расплавами грунтов. Создание термогрун-
товых массивов по форме и прочности, соответствующими

№ 617520, £O2Z)3/1O, № 28, 1978
№ 850802, £02Z) 3/11, № 28, 1981
№ 1143803, £022)3/11,№ 09, 1985
№ 842130,£O2Z)3/11, № 24, 1981
№ 1098997,£0X2)3/11,№ 23, 1984
№914718,£022)3/11, №11,1982
№ 927901, EWd 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, £020 3/11, № 15, 1988

№538094, £02,0 3/14, №45, 1976

№ 837997, £020 3/11, 5/20, № 22, 1981

№ 1139799, £02,0 3/11, №06, 1985

№ 1325131, £02,0 3/11, № 27, 1987

№ 1362779, £020 3/11, №48, 1987

№ 1418414, £020 3/11, № 31, 1988

№ 1430462, £020 3/11, № 38, 1988

№ 1435701, £020 3/11, № 41,1988

№ 850803, £020 3/11, № 28, 1981
№910929, £020 3/11, №09, 1982

№ 914714, £020 3/10, 3/11, 29/02, № 23,
1982

№ 1035131, £02,03/11, 3/12, №30.

№ 1120062, £020 3/11, № 39, 1984

№ 1193233, £020 3/11, 7/00, № 43, 1985

№ 1048053, £020 3/11, № 38, 1983

№ 1188241, £0203/11, №40, 1985

№ 1337475, £020 3/11, № 34, 1987

4

напряженному состоянию под нагрузкой. Армирование
стволов и стенок с заплавленисм скважин расплавами грун-
тов и их смесей. Одновременный обжиг массива по всей вы-
соте 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-
тами. Перераспределение тепла в массиве. Утилизация.

№ 1350250,£0203/11,№41, 1987
№ 1361247,£0203/11,№47, 1987
№ 1390299, £020 3/11, № 15, 1988
№ 1401109, £020 3/11, № 21, 1988
№ 1418414,£0203/11,№31, 1988
№ 1430459, £020 3/11, № 38, 1988
№ 1435705,£0203/11,№41, 1988
Рис. 6.13. Способ образования термогрунтовых подпорных стен

1, 2, 3, — послойное удаление грунта после образования подпор-
ной стенки

пазухах котлованов и в обсыпке котлованных храни-
лищ и емкостей для жидкостей и газов; образование
подпорных стен и укрепление откосов выемок и насы-
пей 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 железо-
бетонными конструкциями; укрепление оснований
зданий и сооружений из просадочных грунтов и лик-
видация 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 реализа-
ции рекомендуются различные технологические режи-
мы работ. Наиболее предпочтительны режимы макси-
мального избыточного давления в нагревательных
скважинах в сочетании с вакуумированием вспомога-
тельных скважин, высоких температур в скважинах с
минимальным расходом воздуха и большим градиен-
том 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 нагреватель-
ных скважин, так как скорость фильтрации нагретых
газов возрастает по мере удаления из массива содержа-
щейся в нем влаги и увеличения пористости грунта.

Можно отметить перспективность применения ме-
тода при новом строительстве и реконструкции зданий
и сооружений, осуществляемом хозяйственным спосо-
бом, в частности на действующих предприятиях, в
колхозах и совхозах, строительно-монтажные работы в
которых выполняются собственными силами без при-
влечения подрядных организаций. Простота техноло-
гии и оборудования позволяют сделать это после пред-
варительного краткосрочного обучения операторов и
инженерно-технического персонала, предназначенного
для производства работ и технического надзора за хо-
дом строительства и реконструкции.

6.3.	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 поро-
вого пространства, при котором сокращается и общий
объем укрепляемого массива. Ко второй -- относятся
технологии, достигающие прироста прочности путем
увеличения плотности заполнением пор и трещин дру-
гими материалами. При этом общий объем укрепляе-
мого грунта практически остается без изменения. На-
конец, третья схема предусматривает увеличение проч-
ностных свойств грунтов за счет повышения связей
между частицами и их агрегатами без заметного изме-
нения объема. Именно к этому относится метод терми-
ческого укрепления грунтов. Разумеется, возможны и
различные комбинации таких технологических про-
цессов.

Внедрение способов термического укрепления грун-
тов в жилищное и промышленное строительство нача-
лось с ликвидации аварийной просадки фундамента
под газовую турбину Запорожского масложиркомбина-
та. Работы были выполнены трестом Запорожстрой и
ЮжНИИ, который впоследствии был переименован в
Харьковский ПромстройНИИпроект. Лессовые грунты
основания относились к I типу, скважины проходи-
лись на 5 м, сжигалось соляровое масло по всей высоте
скважин, герметизация которых осуществлялась ввер-
ху специальными керамическими затворами с метал-
лическими крышками. В результате выполнения тер-
моукрепления грунта просадки прекратились. Сто-
имость 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 Молдав-
ской ССР, Ворошиловградпромстроя осуществлены ра-
боты на 84 объектах. Из них можно выделить 6 дымо-
вых труб высотой от 35 до 100 м, в лессовых грунтах I
и II типа по просадочности, с сжиганием как соляро-
вого масла, так и коксового газа в стволах скважин
глубиной 6 — 8 м. Трубы до настоящего времени нахо-
дятся в удовлетворительном эксплуатационном состоя-
нии. Стоимость работ составила 10 -- 12 руб/м3. До-
стойным внимания является и укрепление 12 м слоя
грунта в основании кольцевых нагревательных печей
№ 1, 2 в цехе № 3 Никопольского Южно-трубного за-
вода. К сожалению укреплению подвергли не всю про-
садочную толщу, однако при замачивании укреплен-
ных массивов грунта в объеме 782 м3 фундаменты под
печи дали равномерную осадку. На этом объекте сжи-
галось соляровое масло, а нагревательные скважины
обрабатывались по две заходки по высоте. Стоимость
работ также не превысила 12 руб/м3. Заслуживает изу-
чения и опыт укрепления просадочных I типа грунтов
в основаниях фундаментов высотной части жилых до-
мов № 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 точ-
ную аппаратуру смолоразгонного цеха этого же завода,
цементные силосы бетонного завода Запорожского ком-
бината ’’Стройдеталь”, котел № 8 ТЭЦ Баглейского
коксохимзавода,башню пожарного депо в г. Днепро-
петровске, 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 спортив-
ный корпус с плавательным бассейном, Запорожский
тубдиспансер, поликлинику завода Азовкабель. В рабо-
тах 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 ра-
нее. Особо следует отметить проектирование и произ-
водство работ по устройству вертикальных термогрун-
товых откосов котлованов, отрываемых вблизи нагру-
женных фундаментов, в блоке цехов Ворошиловград-
ского трубопрокатного завода им. Якубовского, в кото-
ром 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 обес-
печило устойчивость термогрунтовых откосов. Продол-
жительность обработки скважин составила до 6 сут. В
ходе этих работ было сэкономлено 1200 т металличе-
ского 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 упрочнен-
ного грунта после отрывки котлованов. Отличительны-
ми были и грунтовые условия, так как в зоне ра-
бот залегали мергелистые и иловатые суглинки.
Стоимость работ составила 6 — 8 руб/м3.

Таким образом, под руководством Харьковского
ПромстройНИИпроекта освоены способы термоукреп-
ления грунтов, преимущественно лессовых просадоч-
ных I и II типов, в интересах образования термогрун-
товых массивов, опор и вертикальных откосов (рис.
6.14). Длительность процесса составила в среднем око-
ло суток на метр активной глубины нагревательных
скважин. Сжигание жидкого и газового топлива осу-
ществлялось в загерметизированных скважинах (схема
Рис. 6.14. Область применения метода термического упрочнения
грунтов

а - защитные ограждения; б - обделки горизонтальных и верти-
кальных выработок; в - защитные экраны; г — упрочнение грунта в
пазухах и засыпке котлованов; д - подпорные стены и откосы; е -
оползневые склоны гор и косогоров; ж - фундаменты и опоры; з -
основания в просадочных грунтах; и - термогрунтовые строительные
материалы; 1 — нагревательная скважина; 2 - камуфлетное ушире-
ние; 3 - обожженный и сплавленный грунт; 4 — разрыхленный	|

грунт; 5 - энергопоглощающая прослойка; 6 - железобетон; 7 — coo-	j

ружеиие; 8 - котлован; 9 - линия скольжения призмы обрушения	$

грунта; 10 - компрессор; 11 - емкость с топливом; 12 - трубопровод	i

8
Т

II рис. 5.1) форсунками и горелками*. Несущая способ- *
ность термогрунтовых опор -- 120 — 190 тс, стоимость о
6 — 12 руб/м®.

А.с. Ml 06592 СССР, EO2D 3/10. Способ укрепления грунтов.

Вюлл. иаобр. Ml 16, 1952.
Отличительной особенностью работ, выполняемых
ВИА им. В.В. Куйбышева, является комплексное при-
менение в сравнимых условиях всех известных спосо-
бов сжигания топлив с одновременным применением
электрической энергии с преобразованием ее в погруж-
ных термографитовых и стальных нагревателях для
изготовления в грунтах несущих термогрунтовых кон-
струкций котлованных сооружений. Работы выполня-
лись до отрывки котлованов в виде термогрунтовых
стен в различных грунтах высотой до 9,5 м, обделок
шахтных стволов и отдельных опор. Грунты — суглин-
ки пылеватые и лессовидные, супеси, пески. Электро-
нагреватели 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 2000 — 25000 А.
Для возможности многократного использования нагре-
вателей при спекании в скважинах грунтов между
стенками и нагревателями пространство заполняли
термографитовой крошкой, крупным кварцевым пес-
ком или мелким гравием, имеющими более высокую
температуру спекания и плавления по сравнению с ок-
ружающими 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 кон-
струкциях грунта составил 2640 м3, расчетная себесто-
имость -- 16,26 -- 36,80 руб/м3. Были выполнены так-
же работы по устройству автодороги длиной 0,96 км с
шириной проезжей части 6 м в Красноярском крае, а
также укреплению опытных подпорных стен, опор, об-
делок в натурных условиях.

Укрепление откосов выемок и насыпей в интересах
железнодорожного строительства ведет Хабаровкий ин-
ститут железнодорожного транспорта. Были выполне-
ны работы по укреплению земляного полотна на Даль-
невосточной, Забайкальской и Красноярской железной
дорогах в объеме 30 тыс. м3 грунта. Укрепление грун-
тов осуществляется через скважины глубиной до 6 — 8
м с сжиганием дизельного топлива. Грунты — пылева-
тые 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
Краснодаркрайсел встрой, Ставропольсельстрой, Рост-
сельстрой, Мордовского Промстроя, Крымсельстроя,
Главзапстроя. В общей сложности укреплены основа-
ния и фундаменты под 52 здания и сооружения пре-
имущественно сельскохозяйственного назначения в
том числе биофабрики, овцекомплексы, склад ГСМ, во-
донапорные башни, техникум, жилые дома, мастер-
ские. Использовалось жидкое топливо, скважины глу-
биной до 8 м, диаметром 0,1 -- 0,2 м. Грунты — глини-
стые и лессовидные супеси, суглинки и глины. Разра-
ботаны устройства и способы, в том числе для газифи-
кации твердого и жидкого топлива, проведены натур-
ные испытания несущей способности термоупрочнен-
ных 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, дли-
тельность процесса 0,5 — 1 сут/м скважины, сметная
стоимость 8,32 -- 24,63 руб/м3 соответственно обож-
женного и сплавленного грунтов. Объем укрепленного
грунта составил 44, 2 тыс. м3. Несущая способность
термогрунтовых свай -- 20 -- 80 тс. Для работ исполь-
зовали оборудование: компрессоры передвижные ДК-9,
ПКС-6М, ВК-10; герметизирующие скважины, затво-
ры местного изготовления; средства технического кон-
троля системы термопар TXA-VIII(XIII) с пишущими
приборами ЭПП-9, оптические пирометры ОППИР-
17(45), манометры пружинные ОБМ-1; буровые уста-
новки шнекового и роторного бурения, а для скважин
глубиной до 2 м -- ручные буры.

Существенно расширяют область применения мето-
да 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 укреп-
лению 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 це-
ментного завода. Большой опыт приобретен при произ-
водстве экспериментов на таких объектах, как глав-
ный корпус санэпидемстанции, производственный кор-
пус 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 об-
жига 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 себестоимо-
сти на 39,55 руб/м3. Такие опоры-сваи прорезают про-
садочные толщи с опиранием на непросадочные под-
стилающие 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 использо-
валось оборудование: для бурения станки СО-2, уста-
новки УГБ-50, ЛБУ-50; компрессоры передвижные и
газодувки ТГ-50-1,9; стандартные измерительные при-
боры; различные устройства для герметизации сква-
жин и сжигания в них топлива. Время на заплавление
стволов -- около 1 ч/м глубины скважин.

Наибольший объем работ по термическому укрепле-
нию просадочных грунтов Украинской ССР за послед-
ние 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 с‘ использованием
погружных спиральных электронагревателей из жаро-
стойких сталей. В Запорожье выполнены работы по
укреплению оснований корпуса трансформаторов и
дросселей, корпуса металлоизделий, механосборочного
корпуса Минавтопрома, корпуса Масложирпрома, кор-
пуса 30 НИИСК, на обойно-кузовном цехе автомоби-
лей, а также детского комбината, жилого 6-этажного
дома и испытательного полигона. Укрепление грунтов-
лессовидных просадочных II типа выполнено при но-
вом строительстве и под деформируемыми зданиями.
Кроме этого, произведены работы: по устройству под-
порных стен цеха оцинкованных труб в Ворошиловг-
раде и террасы № 2 Центрального бульвара в Запо-
рожье; по укреплению откосов котлованов корпуса
трансформаторов и дросселей в Запорожье и откосов
насыпи участка пути Юго-Западной железной дороги.
Для термоукрепления грунтов через скважины глуби-
ной более 10 -- 12 м работы выполнялись двумя заход-
ками с герметизацией стволов на границе заходок спе-
циальными отсеками конструкции НИИСК. Техноло-
гия работ по заходкам принципиально не отличается
от ранее рассмотренной. Новым является применение
электронагревательных элементов для обработки грун-
товых 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 просадка-
ми основания из лессового II типа грунта. Повышен-
ная влажность грунта, достигающая 23 -- 25%, затруд-
няла применение способа сжигания в скважинах газо-
вого или жидкого топлива. Были разработны устройст-
ва для электротермического закрепления грунта,
включающие электронагревательный генератор, коак-
сиальный воздуховод-токопровод и герметизирующий
скважину затвор. Спирали из железохромоалюминие-
вых сплавов диаметром 9 — 12 мм навивали на кера-
мические трубки диаметром 0,12 -- 0,16 м в нарезные
винтовые канавки. Высота заходки 5 м, диаметр ук-
репленного 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 транс-
форматор типа ТПО-100/43, ТПО-280/80, ОСЗ-250/0,5;
автотрансформатор АОМКТ-100/0,5; газодувки ротаци-
онные 1А34-80-4А, 1А32-50-4А; токопроводы марки
ПРГД, РГД; стандартные амперметры, вольтметры,
расходомеры, манометры, потенциометры, термопары.
Разработаны устройства для дистанционного управле-
ния и контроля. Температура нагревателей -- около
1300°С, температура в скважинах 600 -- 1000°С, избы-
точное 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, рав-
ном 1100 — 1350 А с питающим напряжением 27,5 —
33,5 В, на укрепление грунта вокруг скважины диа-
метром 1,5 -- 1,8 м потребовалось около 7 сут на заход-
ку. Сравнительный анализ с аналогом — силикати-
зацией грунта приведен (табл. 6.2) по приведенным
затратам в расчете на 1 м3 укрепленного в массиве
грунта.
Таблица 6.2

Показатель

Трудоемкость, чел.-дн.

Фондоемкость, руб.

Материалоемкость: жидкое стекло, кг

Энергоемкость, кВт-ч
Приведенные затраты, руб.

Электротерми-
ческое упроч-
нение

Силикати-
зация

0,748	0,139
3,44	2,42
175	—
—	207,7
17,2	6,65

Следует отметить, что в этих расчетах стоимость
электроэнергии принята по счетам местного отделения
Минэнерго в размере 1,174 коп/(кВтч), в других реги-
онах 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 политехниче-
ский институт, МТИ им. А.Н. Косыгина.

В заключение книги необходимо отметить, что
грунт является наиболее распространенным видом мес-
тного строительного материала, который имеется во
всех случаях возведения и реконструкции зданий и со-
оружений. Применение различных методов искусст-
венного преобразования природных свойств грунтов с
целью использования их в качестве материалов, осно-
ваний и сред для возведения объектов и тем более для
создания ограждающих и несущих конструкций из уп-
рочненных грунтов следует считать безусловным до-
стижением инженерной и научной мысли. Нет сомне-
ния в том, что по мере развития науки и техники все
больше и больше объектов будут возводиться на естест-
венных основаниях с соответствующим упрочнением
слабых грунтов, а большинство подземных строитель-
ных 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 возмож-
ностями и относительно высокой экономической эф-
фективностью, подтвержденными результатами прак-
тического применения различных способов термиче-
ского упрочнения грунтов при строительстве и рекон-
струкции зданий и сооружений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.	Инструкции по расчету, проектированию и технологии изго-
товления термосвай (Миисельстрой УССР). — Киев, 1983.

2.	Крутов В.И. Основания и фундаменты на просадочных грун-
тах. - Киев: Буд1вельиик, 1982.

3.	Литвинов И.М. Укрепление и уплотнение просадочных грун-
тов в жилищном и промышленном строительстве — Киев: Будхвель-
ник, 1977.

4.	Методические рекомендации по технологии термического за-
крепления просадочных лессовых грунтов на глубину до 25 м. - Ки-
ев: НИИСК, 1983.

5.	Методические рекомендации по технологии электротермиче-
ского закрепления просадочных лессовых грунтов на глубину до 25
м. - Киев: НИИСК, 1983.

6.	Подъяконов В.С. Термическое упрочнение грунтов в основани-
ях зданий и сооружений. - М.: Стройлит, 1968.

7.	Юрданов А.П. Глубинный обжиг грунтов с изоляцией дневной
поверхности. Сб. тр. ЦНИИЭПсельстроя № 17, М., 1977.

8.	Юрданов А.П. Технологические параметры глубинного обжига
грунтов. Сб. тр. МИСИ № 167. - М.: МИСИ, 1978.

9.	Юрданов А.П. Особенности глубинного обжига грунтов и перс-
пективы его совершенствования // Основания, фундаменты и механи-
ка грунтов. - 1978 - № 6.

10.	Юрданов А.П. Определение параметров термического укреп-
ления грунтов и его экономической эффективности // Основания,
фундаменты и механика грунтов. - 1979. - № 5.

11.	Юрданов А.П. Подпорные стены и откосы из обожженных
связных грунтов // Промышленное строительство. - 1979. - № 3.

12.	Юрданов А.П. Глубинный обжиг грунтов // Сельское строи-
тельство. - 1980. - № 1.

13.	Юрданов А.П. Термическая обработка грунтов и возможность
ее применения в транспортном строительстве // Транспортное строи-
тельство. - 1980. - № 12.

14.	Юрданов А.П. Дополнительные требования техники безопас-
ности к работам по термоупрочнеиию грунтов. Матер. Всесоюзн. со-
вещ. - Каунас, 1982.

15.	Юрданов А.П. Возможности метода термоупрочиеиия грун-
тов в интересах возведения и реконструкции зданий и сооружений:
Межвузовский сб. научных трудов. - МТИ, 1984.

16.	Юрданов А.П. Устройство коротких термогруитовых свай //
Промышленное строительство. - 1978. - № 10.

17.	Юрданов А.П. Сычев А.К., Степура И.В. Комбинированные
сваи // Сельское строительство. - 1987. - № 10.

18.	Юрданов А.П. Термическое упрочнение грунтов при реконст-
рукции действующих предприятий // Промышленное строительст-
во. - 1987. - № 11.

19.	Юрданов А.П. Современное состояние и перспективы разви-
тия метода термического укрепления грунтов. Изв. высш. учеб, заве-
дений / Строительство и архитектура. — Новосибирск, 1987, № 12.
СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие............................................ 3

Введение...............................................   5

Глава 1. Физико-механические свойства обожженных
в массивах лессовидных и глинистых грунтов................  8

1.1	Изменение физико-механических свойств связных
грунтов при нагревании..................................... 8

1.2.	Прочностные и деформационные свойства грунтов,
термообработаниых в массивах и	в лабораторных условиях..... 12

1.3.	Минимальные расчетные температуры обжига грунтов.... 16

1.4.	Изменение прочности обожженных грунтов во времени... 1?

1.5.	Опыты по армированию термогрунтов металлом.... 19

1.6.	Примеры расчета............................... 20

Глава 2. Тепловое поле внутри нагревательных скважин
и их газопропускная способность........................... 21

2.1.	Уравнение теплового баланса в нагревательной
скважине.................................................. 21

2.2.	Температуры газов и стенки скважины........... 26

2.3.	Тепловой дебит нагревательной скважины........ 31

2.4.	Газопропускиая способность скважин............ 31

2.5.	Примеры расчета................................36

Глава 3. Изменение температуры и влажности грунта
вокруг нагревательных скважин в процессе термического
упрочнения грунтов........................................ 38

3.1.	Характеристика миграции влаги вокруг
нагревательных скважин в процессе термообработки грунтов.... 38

3.2.	Распространение тепла вокруг цилиндрической
скважины.................................................. 41

3.3.	Метод расчета технологических параметров...... 55

3.4.	Примеры расчета технологических параметров.... 57

Глава 4. Несущая способность термогрунтовых массивов
и конструкций............................................. 59

4.1.	Изменение прочностных и деформационных свойств
грунтов в термообработанных массивах ..................... 59

4.2.	Приемы расчета термогрунтовых массивов
на действие сосредоточенных сил и грунта.................. 61

4.3.	Результаты испытаний термогрунтовых конструкций. 68

4.4.	Примеры расчета термогрунтовых массивов
и конструкций............................................. 74

Глава 5. Производство работ.......................... 75

5.1.	Основные способы термического упрочнения грунтов.. 75

5.2.	Оборудование для термического упрочнения грунтов.. 79

5.3.	Состав проектных и изыскательских работ......... 82

5.4.	Производство работ.............................  84

5.5.	Контроль качества работ и техника безопасности..... 90

5.6.	Технико-экономическая эффективность метода...... 93
Глава 6. Область применения метода. Направления его

дальнейшего развития и совершенствования.................. 102

6.1.	Пути интенсификации технологических процессов
термического упрочнения грунтов........................... 102

6.2.	Область практического применения метода.......... 1 13

6.3.	Производственный опыт термического укрепления
грунтов	 117

Список литературы..................................... 126

Научное издание

Юрдаиов Альберт Павлович |

ТЕРМИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ

ГРУНТОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Мл. редактор И.В. Баранова

Технический редактор И.В. Берина

Корректор Е.Р. Герасимюк

Оператор Е.Г. 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 типография Союзполиграфпрома приГосударственном
комитете СССР по печати

300600, ГСП, г. Тула, пр. Ленина, 109