Моделирование температурного поля

 

Рис.2.1.3 – Начало расчета (25.05.2005г)

Рис.2.1.4 – Температура грунта на сентябрь 2005г.

 

 

А

Б

Рис.2.1.5 – Температура грунта на конец первого года работы здания (А – конец первого зимнего периода, Б – конец первого летнего периода), 2006 г

 

 

 

 

 

 

 

A

Б

Рис.2.1.6 - Температура грунта на конец пятого года работы здания (А – конец пятого зимнего периода, Б – конец пятого летнего периода), 2010 г

 

 

 

 

 

 

А

Б

Рис.2.1.7 - Температура грунта на конец десятого года работы здания (А – конец десятого зимнего периода, Б – конец десятого летнего периода), 2015 г

 

 

 

 

 

А

Б

Рис.2.1.8 - Температура грунта на конец двадцатого года работы здания (А – конец двадцатого зимнего периода, Б – конец двадцатого летнего периода), 2025 г

 

 

 

 

 

 

А

Б

Рис.2.1.9 - Температура грунта на конец тридцатого года работы здания (А – конец тридцатого зимнего периода, Б – конец тридцатого летнего периода), 2035 г

Согласно результатам, представленных на графиках (рис.2.1.3-2.1.9), глубина оттаивания за период эксплуатации составит 16,0 м, что превышает глубину заложения фундамента (10,0 м). Проектом предусмотрена температура основания не выше минус 1,0 0С, поэтому для обеспечения проектной температуры грунтов основания необходимо предусмотреть некоторые мероприятия.

Для предотвращения оттаивания грунтов в основании сооружений СП 25.13330.2012 (Актуализированная версия СНиП 2.02.04-88) рекомендует «…устройство холодных (вентилируемых) подполий или холодных первых этажей зданий, укладку в основании сооружения охлаждающих труб, каналов или применение вентилируемых фундаментов, установку сезоннодействующих охлаждающих устройств жидкостного или парожидкостного типов - СОУ, а также осуществление других мероприятий по устранению или уменьшению теплового воздействия сооружения на мерзлые грунты основания. Выбор одного или сочетания указанных мероприятий должен производиться на основании теплотехнического расчета с учетом конструктивных и технологических особенностей сооружения, опыта местного строительства и экономической целесообразности».

Ниже приведен расчет для здания с теплоизоляцией толщиной 0,20 м и расчет работы вентилируемого подполья для жилого здания в г.Надым.

 

2.2 Моделирование температурного поля грунтов основания

жилого здания с укладкой теплоизоляции толщиной 200 мм

Одним из способов борьбы с оттаиванием грунтов в основании зданий и сооружений является применение теплоизоляционных материалов – минеральной ваты, пенополистирола, пенополиуретана и других материалов. Эти материалы предназначены для уменьшения теплового потока от здания в грунт.

Для выполнения прогнозного расчета примем толщину теплоизоляции 0,20 м и коэффициент теплопроводности 0,05 Вт/м*0С. Остальные исходные данные соответствуют данным главы 2.1. Результаты расчета температурного поля представлены на рисунках 2.2.1-2.2.4.

 

 

 

 

Рис.2.2.1 – Температура грунта на конец первого года работы здания (конец первого зимнего периода), 2006г

Рис.2.2.2 – Температура грунта на конец десятого года работы здания (конец десятого зимнего периода), 2015 г

 

 

 

 

 

Рис.2.2.3 – Температура грунта на конец двадцатого года работы здания (конец двадцатой зимы), 2025 г

Рис.2.2.4 – Температура грунта на конец тридцатого года работы здания (конец тридцатого зимнего периода), 2035г

Согласно расчетам, теплоизоляция толщиной 200 мм уменьшает глубину оттаивания на конец периода эксплуатации (30 лет) лишь на 13,75% и не является эффективным средством в борьбе с оттаиванием под зданиями. Возможно, применение теплоизоляции оправдано для зданий и сооружений с минимальными тепловыми потерями (например, складские помещения или сооружения хозяйственного назначения).

 

3. Моделирование температурного поля грунтов основания жилого здания с вентилируемым подпольем

Для выполнения прогнозного расчета необходима температура в вентилируемом подполье. Рассчитаем ее согласно обязательному приложению 4 СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».

Среднегодовая температура воздуха в вентилируемом подполье Тс,а, °С, обеспечивающая предусмотренную в проекте среднегодовую температуру вечномерзлого грунта на его верхней поверхности То, °С, вычисляется по формуле:

,

где ko - коэффициент, принимаемый по табл. 1 обязательного приложения 4 СНиП 2.02.04-88 в зависимости от значений tf,n и lf/lth;

здесь tf,n - продолжительность периода с отрицательной среднесуточной температурой воздуха, сут, принимаемая по СНиП 2.01.01-82;

lf и lth - теплопроводность соответственно мерзлого и талого грунта.

ko = 0,96

tf,n = 229 сут

lf/lth = 1,50/1,36 = 1,1

Тс,а = 0,96*(-2,0) = -1,92 0С

Для задания термического сопротивления «пола» вентилируемого подполья, примем его из железобетонной плиты толщиной 0,14 м с коэффициентом теплопроводности 2,04 Вт/(м×°С). Таким образом, термическое сопротивление конструкции «пола» вентилируемого подполья равно:

R = 0.14/2.04 = 0.07 (м2×°С/Вт)

На рисунках 2.3.1-2.3.2 представлены результаты моделирования температурного поля грунтов основания жилого здания с вентилируемым подпольем в г.Надым.

Рис.2.3.1 – Температура грунта на конец первого года работы здания (конец первого летнего периода), 2006 г

Рис.2.3.2 - Температура грунта на конец пятого года работы здания (конец пятого летнего периода), 2010 г

Согласно графикам, оттаивание грунтов в основании жилого здания с вентилируемым подпольем с температурой минус 1,92 0С, отсутствует уже на конец первого года работы подполья, а температура грунтов в основании сооружения опускается ниже минус 1,00С, что соответствует проектным требованиям. Таким образом, вентилируемое подполье является эффективным мероприятием по предотвращению оттаивания грунтов в процессе эксплуатации жилого здания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе было рассмотрено изменение температурного поля в основании жилого здания г.Надыма в различных условиях – здание построено без вентилируемого подполья и теплоизоляции, здание построено с теплоизоляцией и здание построено с вентилируемым подпольем. Прогнозный расчет для каждого варианта выполнен на весь период эксплуатации, за исключением расчета с вентилируемым подпольем. Для этого расчета стабильное твердомерзлое состояние грунта обеспечено уже за первый год работы подполья и дальнейший расчет до пятого года лишь подтвердил стабильность температурного поля основания здания.

В ходе работы рассчитана глубина оттаивания под зданием за весь период эксплуатации – 16,0 м, что превышает предполагаемую глубину погружения свай (10,0 м) и снижает прочность грунтового основания. Для предотвращения оттаивания грунтового основания в данной работе предложено и рассчитано два решения – применение теплоизоляционного материала и устройство вентилируемого подполья. Как показали расчеты, устройство вентилируемого подполья более эффективно.

Согласно СП 25.13330.2012 (Актуализированная версия СНиП 2.02.04-88), для сохранения грунтового основания в мерзлом состоянии, кроме уже рассмотренных вариантов, возможно применение холодных первых этажей, укладку в основании вентилируемых труб, применение вентилируемых фундаментов, установка сезоннодействующих охлаждающих устройств и другие мероприятия.

В любом случае, выбор мер по предупреждению оттаивания грунтов основания зданий и сооружений должен выполняться на основании прогнозного расчета, расчета устойчивости и несущей способности и технико-экономических расчетов.

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Геокриологический прогноз для Западно-Сибирской газоносной провинции/Гречищев С.Е., Москаленко Н.Г., Шур Ю.Л. и др. – Новосибирск: Наука, 1983.
2. Ершов Э.Д.  «Общая геокриология». М.: Изд-во МГУ, 2002
3. Инженерная геология СССР. В 8-ми томах. Т.2. Западная Сибирь. Под ред. Е.М. Сергеева М., Изд-во Московского университета, 1989.
4. СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» (Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88)
5. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»

22