Адаптация параметров теплообмена с окружающей средой
При выполнении тепловых расчётов грунтов оснований, на первом этапе, производится процедура адаптации параметров теплообмена с окружающей средой. Что это за процедура? И зачем она нужна? Попробуем описать это простым языком.
Давайте создадим простейшую модель естественного температурного поля грунта, т.е. без техногенных изменений и без инженерных сооружений. Что нам нужно для создания такой модели? Нужно распределение грунтов, температура грунтов и их свойства, а также среднемесячные климатические параметры, такие как температура воздуха, скорость ветра и высота снежного покрова.
Информацию по распределению грунтов, их температурам и их свойствам получают изыскатели путем разбуривания грунтов и прямых измерений. Температуры воздуха, скорости ветра и высоты снежного покрова получаются путем статистического усреднения данных, получаемых на метеостанции, и приводятся в СП (СНиП) или климатических справочниках.
Распределение грунтов и их температур может сильно меняться в пределах площадки строительства. Например, температуры могут меняться от минус 3,0 °С до минус 0,5 °С и даже до появления заглубленной кровли мерзлоты. А температуры воздуха, скорости ветра и высоты снега едины для целого микрорегиона.
Проблема заключается в том, что если в расчетах для различных участков одной площадки строительства мы используем единые климатические данные, то в одних местах площадки, за срок прогноза, грунты могут теплеть (где изначально были холодные грунты), а в других местах, за срок прогноза, грунты могут похолодеть. И это происходит даже если мы делаем простейшую модель грунта без техногенных изменений и без инженерных сооружений. Т.е. мы создали модель естественного температурного поля грунта, на конкретном участке площадки строительства, а температура грунтов в модели или теплеет или холодеет без техногенного вмешательства?! Что-то не так с нашей моделью.
Если посмотреть на наши исходные данные повнимательнее, то можно прийти к выводу, что температуры воздуха и скорости ветра (на высоте 10 м над уровнем земли) будут скорее всего едины для всей площадки строительства, а высоты снега могут кратно отличаться в пределах одной площадки. Связано это с тем, что высота снега зависит не только от осадков, а также от снегопереноса и снегоудержания (т.е. есть ветра, рельефа и растительности). Поэтому высоты снежного покрова являются самой недостоверной величиной и принимать одни и те же высоты снежного покрова для различных участков одной площадки строительства некорректно.
Откуда же нам тогда брать высоты снежного покрова? В этом случае применяют процедуру адаптации. Т.е. зная распределение грунтов, температуры воздуха и скорости ветра, пытаются подобрать такую величину снежного покрова, чтобы расчётная температура грунтов совпала с тем, что измерил изыскатель на конкретном участке площадки.
Критерием корректности адаптации параметров теплообмена от воздуха к поверхности грунта следует считать получение стационарно-периодического температурного поля грунтов, которое соответствует значениям, определенным на стадии инженерных изысканий. При этом, стационарно-периодическое температурное поле грунтов не должно изменяться в значительных пределах при отсутствии воздействия техногенных факторов или изменения климатических параметров в течение расчетного срока прогноза.
Строго говоря, при расчётах численной модели, будет использоваться только температура воздуха и суммарный коэффициент теплопередачи от воздуха к поверхности грунта. Поэтому, подбирать при адаптации можно не только высоту снежного покрова, но и другие параметры. Например, подбирать термическое сопротивление мохово-растительного покрова бывает полезно, чтобы добиться необходимых глубин сезонно-талого слоя. Только будьте внимательны, глубину сезонного оттаивания изыскатели могут измерять щупом (ГОСТ 26262-2014), и эта величина может быть с большими погрешностями.
Т.к. в последующих численных расчётах температур используется только суммарный коэффициент теплопередачи, то мы дополнительно получаем следующей эффект: теперь наш суммарный коэффициент теплоотдачи, за счёт его адаптации, как бы учитывает или нивелирует погрешности определения других составляющих теплообмена, таких как солнечная радиация, инфильтрация и испарение влаги с поверхности земли, т.е. адаптированный суммарный коэффициент теплопередачи создаёт схожее температурное поле грунтов, что и при точном учёте других составляющих теплообмена.
В дополнение к изложенному материалу рекомендуем ознакомиться со статьей на аналогичную тему:
Нюансы
В большинстве случаев, всё что описано выше — верно, но есть нюансы.
- В основном нюансы связаны с тем, какое температурное поле принимать в качестве начального и каков срок адаптации.
- Известно, что раньше существовал малый ледниковый период и грунт промерз, а сейчас уже много веков грунты оттаивают и мерзлота отступает. Понятно, что заглублённая кровля мерзлоты — это динамический процесс, при котором, грунты активно оттаивают. Если вы выполняете адаптацию, чтобы стабилизировать заглублённую кровлю мерзлоты на глубинах 4-6 м, то достаточно сложно добиться того, чтобы за 30 лет последующего расчета отсутствовало дополнительное оттаивание грунтов.
- Как правило, добиться полного совпадения температур с данными, измеренными изыскателем достаточно сложно. Фактические измерения температур характерны для конкретного года и конкретного времени измерения, т.е. было ли локальное потепление/похолодание, прошёл ли дождь за некоторое время до проведения измерений и т.п. Как правило, делая расчёты на среднемесячных климатических данных, получить такое же распределение температурного поля, что намерил изыскатель на глубинах 0-8 метров достаточно сложно. Лучше выполнять адаптацию на базе температур на глубинах нулевых теплооборотов, т.е. с подбором граничных условий до совпадения температур на глубинах 10-15 м.
- В ряде случаев, если термометрические измерения выполнены изыскателем ниже 10-15 м, то можно увидеть значительный уклон температурного поля в положительную сторону, т.е. по температурному полю грунтов можно судить о том, что температура грунтов находиться в динамике и происходит процесс потепления ММГ. Добиться того, чтобы такое температурное поле, на глубинах ниже 10-15 м, не изменялось в течение ближайших 30 лет, бывает достаточно сложно.