Установка дренажных емкостей

Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания установки дренажных емкостей.

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.

Установка дренажных емкостей. 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. 

Установка дренажных емкостей. Геология

В материалах рабочей документации имеются лабораторные измерения части теплофизических свойств грунтов. Т.к. из представленных на геологическом разрезе данных по фактическим характеристикам теплофизических свойств не ясны условия, при которых производились измерения, то при моделировании температурного поля приняты расчетные характеристики грунтов.

Наименование
показателя
ОбозначениеЕд.измеренияНасыпной грунтИГЭ №13100.
Глина
ИГЭ №141000.
Суглинок
ИГЭ №141000Э.
Суглинок
Физические свойства
Плотность грунта в сухом состоянииRdfкг/м31740162017501840
Суммарная влажностьWtotд.е.0,180,2340,1810,149
Степень засоленностиDsal%-0,0540,0650,059
Число пластичностиIpд.е.-0,1930,1140,102
Влажность на границе раскатыванияWpд.е.-0,2310,1980,181
Теплофизические свойства
Температура начала замерзанияTbf⁰С-0,15-0,16-0,27-0,17
Теплопроводность талого грунтаλthВт/(м*К)2,321,481,541,55
Теплопроводность мерзлого грунтаλfВт/(м*К)2,731,741,771,76
Объемная теплоемкость талого грунтаCthМДж/м32,633,092,92,79
Объемная теплоемкость мерзлого грунтаCfМДж/м31,932,582,392,36
Коэффициенты кривой незамерзшей воды
Ww(t)= A + B / (C - t),
где t - температура, ⁰С
А-0,00130,13910,070,0605
B-0,00160,17770,14950,1657
C-0,44521,71661,07431,7006
Теплота фазового переходаQfМДж/м3----

Строительные решения

Установка дренажных емкостей представляет собой металлический контейнер под подземные дренажные емкости, опоры под трубы, металлические укрытия, сваи и мероприятия по температурной стабилизации грунтов. Емкости запроектированы с теплоизоляцией и электрообогревом для поддержания в отопительный период технологической температуры и предотвращения замораживания.

В расчетах принято поддержание постоянной температуры в емкостях на уровне +5 ⁰С и слив технологических продуктов в емкость 2 раза в год с температурой +37 ⁰С. График температуры в емкости приведен на следующем рисунке.

График температуры в емкостях

Коэффициент теплопередачи от емкости в грунт рассчитан с учетом теплоизоляции 50 мм и составляет К=0,88 Вт/(м*К).

На участке расположения металлических укрытий принято повышенное снегонакопление.

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

Технические решения по температурной стабилизации предусматривают совместное использование теплового экрана (теплоизоляция типа «Пеноплекс» толщиной 100 мм) с установкой одиночных СОУ. Для поддержания и понижения температуры грунтов под контейнером резервуара предусматриваются анкерные СОУ с горизонтальным участком.

Установка дренажных емкостей. Схема СОУ

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. Для данных расчетов принят вариант возведения насыпи в конце зимнего периода мерзлым грунтом. Срок прогноза составлял 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. Погружения свай, СОУ и засыпка контейнера с емкостями приняты на момент 15 мая. 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.

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, м0,2920,3420,3750,3580,154----0,0440,1380,220
Плотность снега, кг/м3143152157165382----98115130
Теплопроводность снега, Вт/(м*К)0,2050,2160,2240,2330,662----0,1570,1740,190
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К)0,6540,5940,5640,6143,12211,45010,2509,53010,0102,6411,1130,789
Расчетная область

Модель расчетной области представляет собой параллелепипед с размерами 50 х 50 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке ниже.

Установка дренажных емкостей. 3D Модель

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

Установка дренажных емкостей

На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие работу проветриваемого подполья. 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.

График тепловыделение раствора М150 (май)

Моделирование работы СОУ производится путем расчета значений внутренних стоков теплоты на основе конструктивных характеристик СОУ, описывающих их работу. Для описания СОУ задаются величины среднемесячных температур воздуха на уровне СОУ и коэффициента теплообмена с конденсаторных блоков СОУ, определяемых на основе скорости ветра на уровне конденсаторных блоков. Расчет теплоотдачи с единицы поверхности испарителя СОУ, ведется внутри программы на основе расчета теплового баланса по СОУ на каждом шаге итерации. При решении теплового баланса по СОУ на каждом шаге итерации также проверяются критерии запуска и остановки работы СОУ. Тепловые характеристики работы СОУ, 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/с1,81,92,02,12,32,32,01,82,02,01,81,8
Коэф. теплоотдачи к поверхности конденсатора, Вт/(м2*К)11,1311,2511,4711,69-----11,4711,1311,00
Эффективный коэф. теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности испарителя, Вт/(м2*К)10,1910,2910,5010,70-----10,5010,1910,07

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 198х208х89 ячеек (3,7 млн. ячеек).

Заполнение ячеек расчетной сетки материалами приведено на рисунке ниже.

Установка дренажных емкостей Материалы

Граничные условия наложенные на ячейки сетки приведены на рисунке ниже.

Установка дренажных емкостей
Результаты расчета

Результаты расчета приведены на рисунках ниже.

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

Установка дренажных емкостей Результат 15.11.2001

Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.

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

дренажных емкостей. Сечение YZ (x=23,54) дата 15.05.2000

Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года.

Температурное поле грунтов в основании установки дренажных емкостей

Температурное поле грунтов на 15 декабря 1-го года.

Температурное поле грунтов в основании установки дренажных емкостей

Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.

Температурное поле грунтов в основании установки дренажных емкостей

Температурное поле совместно с распределением грунтов в основании дренажных емкостей приведено на 15 октября 3-го года.

Температурное поле совместно с распределением грунтов в основании дренажных емкостей

Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.0 (показана на схеме расположения элементов модели), расположенной под зданием приведены в таблице.

Глубина, мТемпература грунта по термометрической скважине, ⁰С
На начало расчета
(15 мая)
На конец летних периодов (15 октября)
1 год2 год3 год
1,0-2,000,070,200,28
2,0-2,00-0,15-0,12-0,12
3,0-2,00-0,37-0,58-0,71
4,0-0,92-0,66-1,33-1,72
5,0-1,07-0,79-1,78-2,33
6,0-1,08-0,81-2,06-2,73
7,0-1,00-0,78-2,23-2,99
8,0-0,91-0,73-2,30-3,13
9,0-0,85-0,69-2,30-3,17
10,0-0,82-0,66-2,23-3,11
11,0-0,81-0,64-2,09-2,97
12,0-0,80-0,66-1,90-2,75
13,0-0,79-0,70-1,65-2,46
14,0-0,79-0,75-1,38-2,11
15,0-0,79-0,78-1,12-1,74

Время выполнения расчета модели, состоящей из 3,7 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:

  • На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 14 часов 20 минут.
  • На видеокарте (GeForce GTX 1080) – 34 минуты.

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.
  • Применение свай с заполнением их цементно-песчаным раствором приводит к повышению температур грунтов оснований, восстановление которого происходит спустя 8 месяцев после погружения или после 2 месяцев работы СОУ.
  • Объем погруженных СОУ в целом избыточен для такого инженерного сооружения. Технические решения по температурной стабилизации обеспечиваю сохранение температурного поля грунтов оснований даже в условия активизации процесса оттаивания грунтов оснований площадки.

Файлы для загрузки

Фалы примера доступны по ссылке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

двадцать − тринадцать =