Моделирование температурного поля

Моделирование температурного поля

ВЕДЕНИЕ

Термодинамическое состояние природной среды севера Западной Сибири находится в неустойчивом равновесии. Разрушение многолетнемерзлых грунтов при незначительном нарушении условий внешнего теплообмена может вызвать снижение прочности грунтов как основания для зданий и сооружений. Для предотвращения возможных негативных последствий строительства и для выработки верного технического решения, необходимо выполнять прогнозный расчет температурного поля основания сооружений.

В работе было рассмотрено изменение температурного поля в основании жилого здания г. Надыма в различных условиях - здание построено без вентилируемого подполья и теплоизоляции, здание построено с теплоизоляцией и здание построено с вентилируемым подпольем. Прогнозный расчет для каждого варианта выполнен на весь период эксплуатации, за исключением расчета с вентилируемым подпольем.

Моделирование температурного поля выполнено в программе «Тепло» (HEAT), которое позволяет реализовать решение задач теплопроводности с подвижными границами раздела фаз в неоднородных средах (решение задачи Стефана).

1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА

1.1    Краткая физико-географическая характеристика района

Город Надым расположен в северной части Западно-Сибирской равнины, в лесотундровой равнинной широтно-зональной области, в Северо-Надым-Пуровской провинции.

Лесотундровая зона протягивается вдоль Полярного круга полосой от 50 до 150 км в поперечнике.

Поверхность этой подзоны пологоволнистая и пологоувалистая, в различной степени залесена. Редкостойные леса, представленные, в основном, лиственницей и многоствольной березой, занимают около 60% территории подзоны. В подлеске преобладают кустарники (ольховник, карликовая береза, полярная ива). Безлесны лишь центральные части междуречий, занятые плоскими и заболоченными тундровыми ландшафтами.

Город Надым полностью расположен в пределах тундрового ландшафта. Поверхность кочковатая, заболоченная, имеющая слабый уклон в западном направлении. Растительные сообщества представлены различными мхами, лишайниками, злаковыми и кустарничком, в основном, багульником.

1.2    Климатические характеристики района

Для территории г.Надыма характерен континентальный климат с суровой продолжительной зимой и коротким умеренно теплым летом. Среднегодовая температура воздуха минус 4,9оС (здесь и далее значения климатических характеристик приняты по метеостанции «Надым»). Формирование климата этого района происходит под влиянием западной циркуляции воздушных масс, влияния Северного ледовитого океана и континента. Здесь наблюдается быстрая смена циклонов и антициклонов, что способствует большой изменчивости погоды. В любой сезон года возможны резкие колебания температуры воздуха не только от месяца к месяцу, но и от суток к суткам и даже в течение суток.

На основании данных значений климатических характеристик по СНиПу 23-01-99 можно сделать вывод о том, что территория строительства относится к климатическому району IД.

Значения климатических параметров за последние 5 лет представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Для района изысканий характерно избыточное увлажнение. Годовое количество осадков 564 мм.

Преобладающее направление ветров юго-восточное.

.3 Гидрогеологические условия

На гидрогеологические условия исследуемой территории оказывают влияние наличие речной системы долин реки Надым, большое количество мелких ручьев и множество озер различных по площади, нередко располагающихся группами.

Подземные воды на исследуемом участке, благодаря избыточному атмосферному увлажнению, получили широкое распространение. Их пространственная изменчивость определяется локальными геологическими условиями.

Питание осуществляется за счет атмосферных осадков, поверхностных вод, а также за счет таяния льда в грунтах сезонно-талого слоя.

Характерной особенностью исследуемого района является практически сплошное распространение многолетнемерзлых пород, которые служат региональным водоупором для первого от поверхности водоносного горизонта. В зависимости от глубины залегания кровли мерзлых грунтов выделяются следующие типы подземных вод: надмерзлотные воды слоя сезонного оттаивания и надмерзлотные воды несквозных таликов радиационно-теплового и гидрогенного типов.

На площадке подземные воды в период изысканий (май 2005г) не обнаружены.

.4 Геокриологические условия

По карте распространения многолетнемерзлых пород м-ба 1:4000000 (атлас Тюменской области, вып. П; 1976г.) территория г.Надым относится к подзоне преимущественно высокотемпературных мерзлых пород массивно-островного распространения, характеризующийся наличием как талых, так и многолетнемерзлых пород.

Талые грунты (сквозные талики) развиты в центральной части г.Надыма, где составляют около 60-65% всей площади. Они приурочены к хорошо дренируемым песчаным грунтам I надпойменной и пойменным террасам реки Надым. Температура на подошве слоя годовых колебаний изменяется в пределах от плюс 4 до 0 С. Глубина распространения годовых колебаний температур 3,23-19,4 метра. Среднегодовая температура грунта от плюс 0,1 до плюс 3,2 С.

По мере удаления от центральной части города к окраинам, талые грунты сменяются переходной зоной, характеризующейся островным развитием многолетнемерзлых грунтов и наличием многочисленных перелетков. Данная зона узкой полосой, расширяясь на север, опоясывает центр города со всех сторон. Здесь наблюдаются как сквозные талики с приуроченными к ним многочисленными водоемами старичного происхождения, так и несквозные талики - термокарстовыми озерами и мачажинно-озерковыми болотными комплексами без постоянного водостока.

Многолетнемерзлые грунты сплошного распространения с таликами под озерами и интенсивными проявлениями термокарста приурочены, в основном, к краевым частям исследуемой площади и составляют около 20% территории.

1.5 Геологические и инженерно-геологические процессы

Среди современных экзогенных геологических процессов ведущая роль принадлежит процессам заболачивания. Они имеют, практически, повсеместное распространение на плоских, слабодренированных участках казанцевской равнины. Этому способствуют климатические, геоморфологические и геокриологические условия: преобладание осадков над испарением, слабая дренированность, существование регионального водоупора - многолетнемёрзлых пород.

Эоловые процессы развиты преимущественно по берегам рек и бортам оврагов на незадернованных участках, сложенных песчаными породами.

Среди криогенных процессов преимущественное преобладание имеют сезонные процессы: оттаивание и промерзание верхней части отложений и пучение.

Наиболее широкое распространение имеет сезонное оттаивание пород. Состав пород, слагающих сезонноталый слой, достаточно разнообразен - торф, песок, супесь, суглинок, реже глина. В северной и центральной частях области глубина сезонного оттаивания грунтов меняется от 0,3-0,5 м на участках распространения мощных отложений торфа до 1,8-2,0 м на участках развития песчаных отложений. В южной части глубина сезонного оттаивания заметно больше и составляет 0,5-1,0 м на участках распространения торфов до 2,5-2,7 м на участках распространения минеральных грунтов.

Процесс сезонного промерзания пород действует ограничено, в основном, на участках, покрытых древесно-кустарниковой растительностью. Состав отложений слоя сезонного промерзания сходен с составом пород слоя сезонного оттаивания. Мощность слоя сезонного промерзания в зависимости от литологического состава и влажности грунтов изменяется от 0,5-1,5 м на суглинках до 2,5-3,0 м на песках.

Сезонное пучение грунтов проявляется широко на всех геоморфологических уровнях в различных по составу породах - от глин до мелких песков. Этим процессом обусловлено образование пятен-медальонов, мелкобугристого рельефа и сезонных бугров пучения высотой до 1,0 м.

Процесс термокарста имеет относительно широкое, но неравномерное по площади распространение. Отсутствие крупных термокарстовых форм связано, в первую очередь, с отсутствием в верхней части разреза крупных линз льда и невысокой льдистостью отложений.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ

2.1 Моделирование температурного поля грунтов основания жилого здания

Изыскания выполнены в мае 2005г в г.Надым. Разрез принят по скв.26 и представлен мерзлым мелким песком на всю глубину пробуренной скважины (15,0 м). Суммарная влажность песка 0,13 д.ед., плотность сухого грунта - 1,40 г/см3, коэффициент теплопроводности песка в талом состоянии 1,36 Вт/м*0С, коэффициент теплопроводности песка в мерзлом состоянии - 1,50 Вт/м*0С, объемная теплоемкость в талом состоянии - 761 Вт*ч/м3*0С, объемная теплоемкость в мерзлом состоянии - 519 Вт*ч/м3*0С, объемная теплота фазовых переходов - 16890 Вт*ч/м3, температура начала замерзания 0,00С. Результаты замера температуры грунта на 25 мая 2005г представлены в табл.2.1 (данное температурное поле представлено также на рис.2.1.3), схема расположения скважин и инженерно-геологический разрез - на рисунках 2.1.1 и 2.1.2. Предполагаемая глубина погружения свай - 10,0 м от поверхности земли.

Табл.2.1

Рисунок 2.1.1

Рисунок 2.1.2

Сооружение представлено жилым зданием размерами 24х24 м, термическое сопротивление конструкции пола - 3,6 м2*0С/Вт, температура воздуха в помещении - плюс 18,00С.

Для улучшения температурного поля в задаче принимаю, что здание поставлено на мерзлый грунт в мае (период достижения максимального промерзания для исследуемого района).

Для предотвращения оттаивания грунтов в основании сооружений СП 25.13330.2012 (Актуализированная версия СНиП 2.02.04-88) рекомендует «…устройство холодных (вентилируемых) подполий или холодных первых этажей зданий, укладку в основании сооружения охлаждающих труб, каналов или применение вентилируемых фундаментов, установку сезоннодействующих охлаждающих устройств жидкостного или парожидкостного типов - СОУ, а также осуществление других мероприятий по устранению или уменьшению теплового воздействия сооружения на мерзлые грунты основания. Выбор одного или сочетания указанных мероприятий должен производиться на основании теплотехнического расчета с учетом конструктивных и технологических особенностей сооружения, опыта местного строительства и экономической целесообразности».

Ниже приведен расчет для здания с теплоизоляцией толщиной 0,20 м и расчет работы вентилируемого подполья для жилого здания в г.Надым.

2.2 Моделирование температурного поля грунтов основания жилого здания с укладкой теплоизоляции толщиной 200 мм

Одним из способов борьбы с оттаиванием грунтов в основании зданий и сооружений является применение теплоизоляционных материалов - минеральной ваты, пенополистирола, пенополиуретана и других материалов. Эти материалы предназначены для уменьшения теплового потока от здания в грунт.

Для выполнения прогнозного расчета примем толщину теплоизоляции 0,20 м и коэффициент теплопроводности 0,05 Вт/м*0С. Остальные исходные данные соответствуют данным главы 2.1.

Согласно расчетам, теплоизоляция толщиной 200 мм уменьшает глубину оттаивания на конец периода эксплуатации (30 лет) лишь на 13,75% и не является эффективным средством в борьбе с оттаиванием под зданиями. Возможно, применение теплоизоляции оправдано для зданий и сооружений с минимальными тепловыми потерями (например, складские помещения или сооружения хозяйственного назначения).

2.3 Моделирование температурного поля грунтов основания жилого здания с вентилируемым подпольем

Для выполнения прогнозного расчета необходима температура в вентилируемом подполье. Рассчитаем ее согласно обязательному приложению 4 СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».

Среднегодовая температура воздуха в вентилируемом подполье Тс,а, °С, обеспечивающая предусмотренную в проекте среднегодовую температуру вечномерзлого грунта на его верхней поверхности То, °С, вычисляется по формуле:

,

где ko - коэффициент, принимаемый по табл. 1 обязательного приложения 4 СНиП 2.02.04-88 в зависимости от значений tf,n и lf/lth;

здесь tf,n - продолжительность периода с отрицательной среднесуточной температурой воздуха, сут, принимаемая по СНиП 2.01.01-82;

lf и lth - теплопроводность соответственно мерзлого и талого грунта.

ko = 0,96,n = 229 сут

lf/lth = 1,50/1,36 = 1,1

Тс,а = 0,96*(-2,0) = -1,92 0С

Для задания термического сопротивления «пола» вентилируемого подполья, примем его из железобетонной плиты толщиной 0,14 м с коэффициентом теплопроводности 2,04 Вт/(м×°С). Таким образом, термическое сопротивление конструкции «пола» вентилируемого подполья равно:

R = 0.14/2.04 = 0.07 (м2×°С/Вт)

Оттаивание грунтов в основании жилого здания с вентилируемым подпольем с температурой минус 1,92 0С, отсутствует уже на конец первого года работы подполья, а температура грунтов в основании сооружения опускается ниже минус 1,00С, что соответствует проектным требованиям. Таким образом, вентилируемое подполье является эффективным мероприятием по предотвращению оттаивания грунтов в процессе эксплуатации жилого здания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе было рассмотрено изменение температурного поля в основании жилого здания г. Надыма в различных условиях - здание построено без вентилируемого подполья и теплоизоляции, здание построено с теплоизоляцией и здание построено с вентилируемым подпольем. Прогнозный расчет для каждого варианта выполнен на весь период эксплуатации, за исключением расчета с вентилируемым подпольем. Для этого расчета стабильное твердомерзлое состояние грунта обеспечено уже за первый год работы подполья и дальнейший расчет до пятого года лишь подтвердил стабильность температурного поля основания здания.

В ходе работы рассчитана глубина оттаивания под зданием за весь период эксплуатации - 16,0 м, что превышает предполагаемую глубину погружения свай (10,0 м) и снижает прочность грунтового основания. Для предотвращения оттаивания грунтового основания в данной работе предложено и рассчитано два решения - применение теплоизоляционного материала и устройство вентилируемого подполья. Как показали расчеты, устройство вентилируемого подполья более эффективно.

Согласно СП 25.13330.2012 (Актуализированная версия СНиП 2.02.04-88), для сохранения грунтового основания в мерзлом состоянии, кроме уже рассмотренных вариантов, возможно применение холодных первых этажей, укладку в основании вентилируемых труб, применение вентилируемых фундаментов, установка сезонно действующих охлаждающих устройств и другие мероприятия.

В любом случае, выбор мер по предупреждению оттаивания грунтов основания зданий и сооружений должен выполняться на основании прогнозного расчета, расчета устойчивости и несущей способности и технико-экономических расчетов.

вентилируемый подполье грунт здание

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Геокриологический прогноз для Западно-Сибирской газоносной провинции/Гречищев С.Е., Москаленко Н.Г., Шур Ю.Л. и др. - Новосибирск: Наука, 1983.

2.      Ершов Э.Д. «Общая геокриология». М.: Изд-во МГУ, 2002

.        Инженерная геология СССР. В 8-ми томах. Т.2. Западная Сибирь. Под ред. Е.М. Сергеева М., Изд-во Московского университета, 1989.

.        СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» (Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88)

.        СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»