Расчет системы вертикальных термостабилизаторов грунта в основании газоперекачивающего агрегата ГПА-25

Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования работы системы термостабилизации грунтов основания газоперекачивающего агрегата ГПА-25.

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.

Газоперекачивающий агрегат ГПА-25. Общий вид

Климатические характеристики

Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
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/с3.03.13.33.53.83.83.33.03.23.33.02.9
Высота снега, м0.530.620.680.650.28----0.080.250.40

Геокриологические условия

Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура грунтов на глубине 10 метров составляет минус 0,8 ⁰С.

Газоперекачивающий агрегат ГПА-25. Геологический разрез

Свойства грунтов приведены в таблице ниже.

Наименование
показателя
ОбозначениеЕд.измеренияНасыпной грунтИГЭ №141000.
Суглинок
ИГЭ №141000Э.
Суглинок
ИГЭ №381000.
Скальный грунт
Физические свойства
Плотность грунта в сухом состоянииRdfкг/м31740175018402310
Суммарная влажностьWtotд.е.0,180,1810,1240,049
Степень засоленностиDsal%-0,0650,059-
Число пластичностиIpд.е.-0,1140,102-
Влажность на границе раскатыванияWpд.е.-0,1980,181-
Теплофизические свойства
Температура начала замерзанияTbf⁰С-0,15-0,27-0,17-0,15
Теплопроводность талого грунтаλthВт/(м*К)2,321,541,431,5
Теплопроводность мерзлого грунтаλfВт/(м*К)2,731,771,631,5
Объемная теплоемкость талого грунтаCthМДж/м32,632,92,592
Объемная теплоемкость мерзлого грунтаCfМДж/м31,932,392,261,9
Коэффициенты кривой незамерзшей воды
Ww(t)= A + B / (C - t),
где t - температура, ⁰С
А-0,00130,070,05960
B-0,00160,15030,19370
C-0,44521,0842,83550
Теплота фазового переходаQfМДж/м3---30,18
Строительные решения

Площадка газоперекачивающего агрегата представляет собой комплекс сооружений на проветриваемом подполье с лестницами и площадками обслуживания. Большинство сооружений имеют независимые кусты свай и несвязанные между собой ростверки фундаментов и балочные клетки.

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.

Газоперекачивающий агрегат ГПА-25. Свайное поле
Температурная стабилизация грунтов оснований (ТСГ)

Технические решения по термостабилизации грунтов предусматривают установку одиночных вертикальных СОУ (термостабилизаторов).

Схема расположения сезонно-действующих охлаждающих устройств (термостабилизаторов) в основании газоперекачивающего агрегата ГПА-25

Прогноз температурного режима грунтов

Прогнозное моделирование температурного поля грунтов осуществлялось численными методами 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.
Составление прогноза 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 один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий.

  • Второй этап – погружение свай фундамента..

    Моделировалось тепловое воздействие в строительный период до погружения термостабилизаторов. Погружения свай и термостабилизаторов приняты на момент 15 октября. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.

  • Третий этап – погружение сезонно-действующих охлаждающих устройств и период эксплуатации.
    Предполагается что погружение сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ) выполняется с отставанием строительного подрядчика от графика. Погружения СОУ приняты на момент 15 марта, т.е. в конце зимнего периода. Температурное со второго этапа моделирования (погружение свай) 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.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23,7-22,9-14,4-8,20,09,915,712,05,7-4,2-15,2-20,9
Скорость ветра, м/с3,03,13,33,53,83,83,33,03,23,33,02,9
Теплоотдача, Вт/(м2*К)9,539,7710,2510,7311,4511,4510,259,5310,0110,259,539,29
Высота снега, м0,2990,3500,3840,3670,158----0,0450,1410,226
Плотность снега, кг/м3144153159166386----98115131
Теплопроводность снега, Вт/(м*К)0,2070,2180,2260,2360,672----0,1570,1740,191
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К)0,6440,5860,5570,6063,10311,45010,2509,53010,0102,5981,0940,776
Расчетная область

Моделирование термостабилизации грунтов оснований газоперекачивающего агрегата ведется в расчетной области которая представляет собой параллелепипед с размерами 75 х 60 х 50 метров.

Расчетная область показана на рисунке ниже.

Математическое моделирование температурного режима грунтов оснований газоперекачивающего агрегата

Схема расположения свай, СОУ и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.

Схема расположения свай и термостабилизаторов в модели газоперекачивающего агрегата

На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие тепловое воздействие сооружения. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю. . В области расположения свай фундамента приняты условия проветриваемого подполья.

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.

График тепловыделения раствора М150

Моделирование работы сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ, термостабилизаторов) производится путем расчета значений внутренних стоков теплоты на основе конструктивных характеристик термостабилизаторов, описывающих их работу. Для описания работы термостабилизаторов задаются величины среднемесячных температур воздуха и коэффициента теплообмена, определяемых на основе скорости ветра на уровне конденсаторных блоков СОУ. Расчет теплоотдачи с единицы поверхности испарителя охлаждающих устройств, ведется внутри программы на основе расчета теплового баланса по каждому термостабилизатору на каждом шаге итерации. При решении теплового баланса по сезоннодействующему охлаждающему устройству на каждом шаге итерации проверяются критерии запуска и остановки работы СОУ. Тепловые характеристики работы термостабилизатора, эквивалентные постановки граничных условий теплообмена в аналогичных программах расчета приведены в таблице.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23,7-22,9-14,4-8,20,09,915,712,05,7-4,2-15,2-20,9
Скорость ветра, м/с0,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,10,1
Коэф. теплоотдачи к поверхности конденсатора, Вт/(м2*К)7,837,837,837,83-----7,837,837,83
Эффективный коэф. теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности испарителя, Вт/(м2*К)8,888,888,888,88-----8,888,888,88

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 343х224х109 ячеек (8,4 млн. ячеек).

Результаты расчета

Результаты расчета системы температурной стабилизации грунтов оснований газоперекачивающего агрегата приведены на рисунках ниже.

Трехмерное температурное поле на 15 апреля 1-го года эксплуатации.

Расчет системы температурной стабилизации грунтов ГПА-25

Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.

Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года (начало эксплуатации).

Начальное температурное поле грунтов в модели

Температурное поле грунтов на 15 марта 1-го года.

Проектирование термостабилизации грунтов оснований газоперекачивающего агрегата

Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.

Работа сезоннодействующих охлаждающих устройств (термостабилизаторов)

Температурное поле грунтов на 15 октября 3-го года.

Работа термостабилизаторов в основании газоперекачивающего агрегата

Температурное поле грунтов на 15 октября 4-го года.

Замораживание грунтов в основании газоперекачивающего агрегата

Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.10 (показана на схеме расположения элементов модели), расположенной рядом с сооружением приведены в таблице.

Глубина, мТемпература грунта по термометрической скважине, ⁰С
На начало расчета
(15 октября)
На конец летних периодов (15 октября)
1 год2 год3 год
1,01,64-0,12-0,14-0,14
2,02,33-0,15-0,81-1,43
3,01,84-0,20-1,90-3,19
4,00,88-0,24-2,49-4,39
5,0-0,02-0,26-2,83-5,22
6,0-0,43-0,27-3,01-5,71
7,0-0,56-0,29-3,09-5,92
8,0-0,65-0,32-3,09-5,92
9,0-0,71-0,36-3,04-5,78
10,0-0,75-0,40-2,93-5,53
11,0-0,77-0,45-2,77-5,20
12,0-0,78-0,50-2,56-4,80
13,0-0,79-0,56-2,32-4,36
14,0-0,79-0,62-2,06-3,87
15,0-0,79-0,66-1,79-3,35

Время выполнения расчета модели, состоящей из 8,4 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:

  • На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 55 часов.
  • На видеокарте (GeForce GTX 1080) – 2 часа 10 минут.

Выводы

Исходя из представленных расчетов можно сделать следующие выводы:

  • Тепловыделения от свай, при заполнении свай цементно-песчаными раствором и гидратации цемента в процессе твердения, приводит к повышению температур грунтов. Плотные кусты свай большого диаметра выделяют достаточное количество теплоты для формирования чаши оттаивания грунтов оснований.
  • Нарушения сроков погружения СОУ (погружение СОУ в марте), приводит к тому, что не удается восстановить температурное состояние грунтов после теплового воздействия на них в строительный период в течении 1 года, до полного сезона работы СОУ.
  • Проморозка чаши оттаивания с использованием СОУ может приводить к пучению ненагруженных свай фундамента в строительный период.

Файлы для загрузки

Фалы примера доступны по ссылке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

девять + 5 =