Система термостабилизации грунтов оснований
резервуарного парка V=2000 м³
Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания вертикальных резервуаров V=2000 м3. Рассматриваются два технических решений по термостабилизации грунтов оснований:
- проветриваемое подполье;
- проветриваемое подполье совместно с одиночными сезонно-действующими охлаждающими устройствами (термостабилизаторами).
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 1,0 ⁰С.
| Наименование показателя | Обозначение | Ед.измерения | Насыпной грунт | ИГЭ №140200. Суглинок | ИГЭ №140300. Суглинок | ИГЭ №141100Э. Суглинок |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Физические свойства | ||||||
| Плотность грунта в сухом состоянии | Rdf | кг/м3 | 1740 | 1700 | 1700 | 1700 |
| Суммарная влажность | Wtot | д.е. | 0.18 | 0.247 | 0.276 | 0.256 |
| Степень засоленности | Dsal | % | - | - | - | - |
| Число пластичности | Ip | д.е. | - | 0.07 | 0.07 | 0.07 |
| Влажность на границе раскатывания | Wp | д.е. | - | 0.17 | 0.17 | 0.17 |
| Теплофизические свойства | ||||||
| Температура начала замерзания | Tbf | ⁰С | -0.15 | -0.21 | -0.21 | -0.21 |
| Теплопроводность талого грунта | λth | Вт/(м*К) | 2.32 | 1.80 | 1.80 | 1.80 |
| Теплопроводность мерзлого грунта | λf | Вт/(м*К) | 2.73 | 2.02 | 2.02 | 2.02 |
| Объемная теплоемкость талого грунта | Cth | МДж/м3 | 2.63 | 3.24 | 3.45 | 3.30 |
| Объемная теплоемкость мерзлого грунта | Cf | МДж/м3 | 1.93 | 2.49 | 2.59 | 2.52 |
| Коэффициенты кривой незамерзшей воды Ww(t)= A + B / (C - t), где t - температура, ⁰С | A | - | 0.0013 | 0.0478 | 0.0478 | 0.0478 |
| B | - | 0.0016 | 0.0571 | 0.0571 | 0.0571 | |
| C | - | 0.4452 | 0.6425 | 0.6425 | 0.6425 | |
| Теплота фазового перехода | Qf | МДж/м3 | - | - | - | - |
Строительные решения
Многолетнемерзлые грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации. Резервуары установлены на свайный фундамент на проветриваемом подполье.
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)
Проектирование термостабилизации грунтов оснований ведется по двум вариантам:
- Вариант 1. Проветриваемое подполье.
Данный вариант предусматривает использование только проветриваемого подполья для термостабилизации грунтов оснований. - Вариант 2. Проветриваемое подполье + вертикальные термостабилизаторы.
Данный вариант предусматривает совместное использование проветриваемого подполья с установкой одиночных вертикальныхсезоннодействующих охлаждающих устройств (термостабилизаторов).
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 – период эксплуатации.
Моделировалось тепловое воздействие от строительства и эксплуатации сооружения по вариантам. Погружения свай и сезоннодействующих охлаждающих устройств (термостабилизаторов) 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 | 0.158 | 0.185 | 0.203 | 0.194 | 0.084 | - | - | - | - | 0.024 | 0.075 | 0.119 |
| Плотность снега, кг/м3 | 118 | 123 | 127 | 134 | 307 | - | - | - | - | 94 | 103 | 111 |
| Теплопроводность снега, Вт/(м*К) | 0.178 | 0.183 | 0.186 | 0.193 | 0.483 | - | - | - | - | 0.153 | 0.162 | 0.170 |
| Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К) | 1.005 | 0.898 | 0.843 | 0.911 | 3.843 | 11.45 | 10.25 | 9.53 | 10.01 | 3.952 | 1.771 | 1.237 |
Вариант 1. Проветриваемое подполье
Расчетная область
Расчетная область для численного моделирования температурного поля грунтов представляет собой параллелепипед с размерами 80 х 60 х 50 метров. Расчетная область показана на следующем рисунке.
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 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.
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 299х176х47 ячеек (2,5 млн. ячеек).
Результаты расчета
Результаты расчета температурного поля в при воздействии проветриваемого подполья приведены на рисунках ниже.
Трехмерное температурное поле на 15 сентября 1-го года эксплуатации.
Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.
На 15 октября 0-го года (начало эксплуатации).
На 15 октября 1-го года.
На 15 октября 5-го года.
На 15 октября 10-го года.
Расчетные температуры по термометрической скважине, расположенной под центром резервуара приведены в таблице.
| Глубина, м | Температура грунта по термометрической скважине, ⁰С | |||
|---|---|---|---|---|
| На начало расчета (15 октября) | На конец летних периодов (15 октября) | |||
| 1 год | 5 год | 10 год | ||
| 1.0 | -0.02 | -0.08 | -0.09 | -0.11 |
| 2.0 | -0.16 | -0.15 | -0.27 | -0.51 |
| 3.0 | -0.20 | -0.18 | -0.42 | -1.08 |
| 4.0 | -0.36 | -0.21 | -0.29 | -1.33 |
| 5.0 | -0.58 | -0.21 | -0.22 | -1.35 |
| 6.0 | -0.74 | -0.21 | -0.28 | -1.23 |
| 7.0 | -0.85 | -0.23 | -0.35 | -1.06 |
| 8.0 | -0.91 | -0.34 | -0.43 | -0.93 |
| 9.0 | -0.94 | -0.49 | -0.51 | -0.85 |
| 10.0 | -0.97 | -0.65 | -0.58 | -0.80 |
| 11.0 | -0.97 | -0.77 | -0.65 | -0.77 |
| 12.0 | -0.98 | -0.85 | -0.71 | -0.77 |
| 13.0 | -0.97 | -0.91 | -0.76 | -0.77 |
| 14.0 | -0.97 | -0.93 | -0.80 | -0.79 |
| 15.0 | -0.97 | -0.95 | -0.83 | -0.80 |
Время выполнения расчета модели, состоящей из 2,5 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:
- На центральном процессоре (Intel i7-6700R) — 15 часов 35 минут.
- На видеокарте (GeForce GTX 1080) — 29 минут.
Вариант 2. Проветриваемое подполье + вертикальные термостабилизаторы (СОУ)
Расчетная область
Расчетная область системы термостабилизации грунтов резервуарного парка представляет собой параллелепипед с размерами 80 х 60 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке.
Схема расположения свай и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.
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.
| 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 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Коэф. теплоотдачи к поверхности конденсатора, Вт/(м2*К) | 10.24 | 10.24 | 10.24 | 10.24 | 10.24 | - | - | - | - | 10.24 | 10.24 | 10.24 |
| Эффективный коэф. теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности испарителя, Вт/(м2*К) | 9.27 | 9.27 | 9.27 | 9.27 | 9.27 | - | - | - | - | 9.27 | 9.27 | 9.27 |
Расчетная область состоит из 370х223х47 ячеек (3,9 млн. ячеек).
Результаты расчета
Результаты расчета температурного поля в при воздействии проветриваемого подполья и вертикальных термостабилизаторов приведены на рисунках ниже.
Трехмерное температурное поле грунтов на 15 февраля 0-го года эксплуатации.
Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.
На 15 октября 1-го года.
Расчетные температуры по термометрической скважине, расположенной под центром резервуара приведены в таблице.
| Глубина, м | Температура грунта по термометрической скважине, ⁰С | |||
|---|---|---|---|---|
| На начало расчета (15 октября) | На конец летних периодов (15 октября) | |||
| 1 год | 5 год | 10 год | ||
| 1.0 | -0.02 | -0.09 | -0.13 | -0.14 |
| 2.0 | -0.16 | -0.20 | -1.03 | -1.33 |
| 3.0 | -0.20 | -0.26 | -2.21 | -2.79 |
| 4.0 | -0.36 | -0.81 | -3.08 | -3.92 |
| 5.0 | -0.58 | -1.24 | -3.65 | -4.69 |
| 6.0 | -0.74 | -1.57 | -3.96 | -5.14 |
| 7.0 | -0.85 | -1.79 | -4.06 | -5.31 |
| 8.0 | -0.91 | -1.89 | -3.97 | -5.23 |
| 9.0 | -0.94 | -1.89 | -3.74 | -4.98 |
| 10.0 | -0.97 | -1.83 | -3.44 | -4.63 |
| 11.0 | -0.97 | -1.67 | -3.06 | -4.17 |
| 12.0 | -0.98 | -1.49 | -2.65 | -3.67 |
| 13.0 | -0.97 | -1.31 | -2.23 | -3.15 |
| 14.0 | -0.97 | -1.17 | -1.84 | -2.65 |
| 15.0 | -0.97 | -1.07 | -1.54 | -2.21 |
Время выполнения расчета модели, состоящей из 3,9 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:
- На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 26 часов.
- На видеокарте (GeForce GTX 1080) — 54 минуты.
Выводы
Исходя из представленных расчетов можно сделать следующие выводы:
- Выполнение отсыпки талым грунтом в конце летнего периода приводит к повышению температур грунтов в верхней части геокриологического разреза. Восстановление исходного температурного состояния происходит в течении 12-15 лет эксплуатации.
- Тепловыделения от свай при заполнении свай цементно-песчаными раствором и гидратации цемента в процессе твердения при водит к повышению температур грунтов. Восстановление исходного температурного состояния, в результате работы проветриваемого подполья, происходит в течении 5-6 лет эксплуатации.
- В результате работы СОУ происходит промораживание грунтов и понижение температур грунтов. Компенсация теплового воздействия от свай фундамента и выполнение отсыпки талым грунтом происходи за 3 месяца работы СОУ. В целом, объем погруженных СОУ избыточен.
Файлы для загрузки
Файлы примера доступны по ссылке.