Теплотехнический расчет грунта в основании дренажных емкостей
Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания дренажных емкостей. Для термостабилизации грунтов применяется тепловой экран.
Примечание: Пример подготовлен с использованием материалов ПАО «ВНИПИгаздобыча». Строительные решения, климатические параметры, геологические и геокриологические условия, последовательность строительных работ изменены для целей примера расчета и не соответствуют реальному объекту.
Климатические характеристики
Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23.7 | -22.9 | -14.4 | -8.2 | 0.0 | 9.9 | 15.7 | 12.0 | 5.7 | -4.2 | -15.2 | -20.9 |
| Скорость ветра, м/с | 3.0 | 3.1 | 3.3 | 3.5 | 3.8 | 3.8 | 3.3 | 3.0 | 3.2 | 3.3 | 3.0 | 2.9 |
| Высота снега, м | 0.53 | 0.62 | 0.68 | 0.65 | 0.28 | - | - | - | - | 0.08 | 0.25 | 0.40 |
Геокриологические условия
Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура грунтов на глубине 10 метров составляет минус 0,7 ⁰С.
Свойства грунтов приведены в таблице ниже.
| Наименование показателя | Обозначение | Ед.измерения | Насыпной грунт | ИГЭ №141100. Суглинок мерзлый, слабольдистый | ИГЭ №141000Э. Суглинок мерзлый, нельдистый | ИГЭ №411200. Скальный грунт |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Физические свойства | ||||||
| Плотность грунта в сухом состоянии | Rdf | кг/м³ | 1740 | 1470 | 1830 | 1980 |
| Суммарная влажность | Wtot | д.е. | 0,18 | 0,288 | 0,152 | 0,117 |
| Степень засоленности | Dsal | % | - | 0,068 | 0,08 | - |
| Число пластичности | Ip | д.е. | - | 0,118 | 0,105 | - |
| Влажность на границе раскатывания | Wp | д.е. | - | 0,2 | 0,188 | - |
| Теплофизические свойства | ||||||
| Температура начала замерзания | Tbf | ⁰С | -0,15 | -0,34 | -0,2 | -0,2 |
| Теплопроводность талого грунта | λth | Вт/(м*К) | 2,32 | 1,57 | 1,54 | 1,5 |
| Теплопроводность мерзлого грунта | λf | Вт/(м*К) | 2,73 | 1,8 | 1,76 | 1,5 |
| Объемная теплоемкость талого грунта | Cth | МДж/м³ | 2,63 | 3,1 | 2,8 | 2 |
| Объемная теплоемкость мерзлого грунта | Cf | МДж/м³ | 1,93 | 2,32 | 2,37 | 1,9 |
| Коэффициенты кривой незамерзшей воды Ww(t)= A + B / (C - t), где t - температура, ⁰С | А | - | 0,0013 | 0,0736 | 0,0633 | 0 |
| B | - | 0,0016 | 0,1026 | 0,1819 | 0 | |
| C | - | 0,4452 | 0,3619 | 1,852 | 0 | |
| Теплота фазового перехода | Qf | МДж/м³ | - | - | - | 44,44 |
Строительные решения
Подземные дренажные емкости предназначены для слива масла и промывочной жидкости (2 раза в год). Емкости устанавливаются в колодцы, исключающие проникновение жидкости в грунт при разгерметизации емкостей.
Емкости обогреваются в изоляции. Температура продукта +10⁰С. Сброс промывочной жидкости в емкости осуществляется с температурой не выше +40⁰С.
Грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации. Сваи фундамента погружаются в грунт буроопускным способом. Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая. Скважина заполняется цементно-песчаным раствором. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру (зимой подогреть до 20 ⁰С). Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется цементно-песчаным раствором.
Температурная стабилизация грунтов оснований (ТСГ)
Технические решения по термостабилизации грунтов предусматривают использование теплового экрана (теплоизоляция типа «Пеноплекс» толщиной 100 мм).
Прогноз температурного режима грунтов
Прогнозное моделирование осуществлялось с учетом требований к порядку составления прогноза изменения температурного режима грунтов, РСН 31-83 (п. 1.6., 2.35., 3.15.- 3.19., 4.16.-4.19.) и РСН 67-87. Расчеты выполнялись на программе «Борей 3D» (www.boreas3d.ru). Программа Борей 3D сертифицирована на предмет соответствия нормативных документов. Сертификат №RA.RU.АБ86.H01114.
Моделирование температурного режима грунтов осуществляется в трехмерной постановке. Моделируемая область является трехмерным параллелепипедом, ограниченным сверху дневной поверхностью на нижней и боковых гранях расчетной области, задается нулевой тепловой поток.
Размеры области определяются конструктивно-техническими особенностями рассматриваемого объекта (геотехнической системы), расчетным сроком моделирования, а также симметричностью тепловых расчетов в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр сооружения, исходя из условия исключения теплового влияния границ области на результаты расчета (его отсутствия через боковые границы).
Этапы выполнения строительства
Расчет выполнялся с поэтапным моделированием строительного периода:
- Первый этап – возведение насыпи.
Моделировалось изменение теплового режима грунтов при возведении насыпи. Принят наиболее критичный вариант для температур грунтов — возведение насыпи в конце летнего периода талым грунтом. Срок прогноза составлял о один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий. - Второй этап – период эксплуатации.
Моделировалось тепловое воздействие от строительства и эксплуатации сооружения по вариантам. Погружения свай и СОУ принято на момент 15 октября. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.
Адаптация условий теплообмена
Теплообмен на поверхности земли зависит от большого числа факторов: альбедо естественных или искусственных поверхностей, прямой и рассеянной солнечной радиации, конвективной (скорость ветра на поверхности земли), инфильтрации и испарения влаги, кондуктивной составляющей (теплопроводность и мощность растительного и снежного покровов) и т.д. Влияние некоторых из них на формирование теплового режима сложно корректно оценить. В связи с этим, расчеты производятся с использованием эффективных величин коэффициента теплопередачи. Методика расчета эффективной величины коэффициента теплопередачи (адаптации) реализована в ПО Борей 3D в автоматическом режиме. Методика адаптации будет приведена на сайте.
Значения адаптированных граничных условий приведены в таблице ниже.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23,7 | -22,9 | -14,4 | -8,2 | 0,0 | 9,9 | 15,7 | 12,0 | 5,7 | -4,2 | -15,2 | -20,9 |
| Скорость ветра, м/с | 3,0 | 3,1 | 3,3 | 3,5 | 3,8 | 3,8 | 3,3 | 3,0 | 3,2 | 3,3 | 3,0 | 2,9 |
| Теплоотдача, Вт/(м²*К) | 9,53 | 9,77 | 10,25 | 10,73 | 11,45 | 11,45 | 10,25 | 9,53 | 10,01 | 10,25 | 9,53 | 9,29 |
| Высота снега, м | 0,217 | 0,253 | 0,278 | 0,266 | 0,114 | - | - | - | - | 0,033 | 0,102 | 0,163 |
| Плотность снега, кг/м³ | 129 | 136 | 140 | 146 | 340 | - | - | - | - | 96 | 108 | 119 |
| Теплопроводность снега, Вт/(м*К) | 0,189 | 0,197 | 0,202 | 0,210 | 0,557 | - | - | - | - | 0,155 | 0,167 | 0,179 |
| Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К) | 0,800 | 0,720 | 0,679 | 0,736 | 3,417 | 11,450 | 10,250 | 9,530 | 10,010 | 3,242 | 1,397 | 0,978 |
Расчетная область
Модель расчетной области представляет собой параллелепипед с размерами 40 х 40 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке ниже.
Схема расположения свай и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.
На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие тепловое воздействие помещения. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.
В расчете учтено тепловое влияние от свай при устройстве фундамента, как с подогревом бетона при бетонировании свай, так и с теплом, выделяемым при гидратации. График тепловыделения от цементно-песчаного раствора М150 приведен на рисунке.
Основная сложность данной задачи оценить тепловой режим колодцев и его воздействие на грунты основания. Оценочный расчет температуры воздуха внутри колодца произведен методом теплового баланса, при этом учтено поступление/расход тепла от крышки колодца, резервуаров и грунта. При расчет принято:
- Крышка колодца не теплоизолирована, зимой производится расчистка выпадающего на нее снега.
- Резервуары с теплоизоляцией 50 мм и круглогодичной температурой +10⁰С.
- Стенки колодца имеют температуру 0⁰С. Коэффициент теплоотдачи принят равным 8,7 Вт/(м²*К) согласно табл.4 СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».
Граничные условия на стенке колодца приведены в следующей таблице.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -3,2 | -3,2 | -2,1 | -1,2 | 0,0 | 1,6 | 2,3 | 1,6 | 0,8 | -0,6 | -2,1 | -2,8 |
| Теплоотдача, Вт/(м²*К) | 8,7 | 8,7 | 8,7 | 8,7 | 8,7 | 8,7 | 8,7 | 8,7 | 8,7 | 8,7 | 8,7 | 8,7 |
Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров. Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями), параллельными соответствующим границам области. В расчетной области шаг горизонтальной сетки изменялся в пределах от 0,1 до 1,0 м. Вертикальная разбивка осуществлялась в пределах от 0.1 до 3.0 м. Расчетная область состоит из 98х120х81 ячеек (1 млн. ячеек).
Заполнение ячеек расчетной сетки материалами приведено на рисунке ниже.
Граничные условия наложенные на ячейки сетки приведены на рисунке ниже.
Результаты расчета
Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.
Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года (начало эксплуатации).
Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.
Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года (начало эксплуатации).
Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года.
Температурное поле грунтов на 15 октября 10-го года.
Температурное поле совместно с распределением грунтов в основании дренажных емкостей приведено на 15 октября 30-го года.
Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.1 (показана на схеме расположения элементов модели) приведены в таблице.
| Глубина, м | Температура грунта по термометрической скважине, ⁰С | |||
|---|---|---|---|---|
| На начало расчета (15 октября) | На конец летних периодов (15 октября) | |||
| 1 год | 10 год | 30 год | ||
| 1,0 | 2,00 | 0,05 | -0,03 | -0,03 |
| 2,0 | 2,00 | -0,10 | -0,12 | -0,12 |
| 3,0 | 2,00 | -0,14 | -0,19 | -0,20 |
| 4,0 | 0,77 | -0,15 | -0,27 | -0,31 |
| 5,0 | -0,38 | -0,22 | -0,29 | -0,33 |
| 6,0 | -0,48 | -0,32 | -0,31 | -0,34 |
| 7,0 | -0,54 | -0,40 | -0,33 | -0,35 |
| 8,0 | -0,58 | -0,46 | -0,36 | -0,35 |
| 9,0 | -0,61 | -0,52 | -0,40 | -0,37 |
| 10,0 | -0,64 | -0,57 | -0,43 | -0,38 |
| 11,0 | -0,67 | -0,61 | -0,46 | -0,40 |
| 12,0 | -0,68 | -0,64 | -0,50 | -0,42 |
| 13,0 | -0,68 | -0,66 | -0,53 | -0,44 |
| 14,0 | -0,68 | -0,67 | -0,55 | -0,46 |
| 15,0 | -0,68 | -0,67 | -0,57 | -0,48 |
Время выполнения расчета модели, состоящей из 1,0 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:
- На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 5 часов 40 минут.
- На видеокарте (GeForce GTX 1080) – 10 минут.
Выводы
Исходя из представленных расчетов можно сделать следующие выводы:
- В представленных результатов видно, что несмотря на выполненную адаптацию условий теплообмена, обеспечивающую стабильное температурное поле грунтов в естественных условиях, при выполнении отсыпки грунтов оснований, т.е. изменении геокриологического разреза, активизируется процесс оттаивания грунтов оснований площадки.
- Технические решения по температурной стабилизации грунтов обеспечивают мерзлое состояние грунтов в основании сооружения. Однако с учетом активизации общего потепления грунтов площадки, а также возможной неточности в оценке теплового воздействия инженерных сооружений, данные технические решения по термостабилизации представляются недостаточными.
- Следует произвести оценку данных технических решений с учетом тенденций на потепление климата.
Файлы для загрузки
Файлы примера доступны по ссылке.