Приложение 6 (рекомендуемое). Методика прогноза температурного режима грунтов

Приложение 6
Рекомендуемое

Методика прогноза температурного режима грунтов

1. Общие положения

1.1. Прогноз температурного режима грунтов выполняют с учетом того, что на территории, окружающей сооружение, температурный режим грунтов формируется под влиянием:

изменений условий теплообмена на поверхности строительной площадки по сравнению с условиями в пределах окружающей ненарушенной территории;

температурного режима грунта на окружающей территории;

теплового воздействия сооружения на грунты основания.

1.2. Основными параметрами температурного режима грунтов являются глубины их сезонного и многолетнего промерзания-оттаивания и температура на глубине нулевых годовых амплитуд.

1.3. Прогнозирование температурного режима грунтов на территории строительства включает:

прогноз изменения температуры на глубине нулевых годовых амплитуд, а также глубин сезонного и многолетнего оттаивания и промерзания грунта в связи с изменением высоты и плотности снежного покрова, рельефа, растительности, состава и влажности грунта и других факторов, условий теплообмена.

прогноз температурного режима грунтов в зоне теплового влияния различных сооружений;

теплофизическая оценка различных инженерных мероприятий по регулированию температурного режима грунтов при строительстве и эксплуатации транспортных сооружений (укладка теплоизоляции, искусственное охлаждение грунтов и т.п.).

2. Исходные данные и методы их определения

2.1. Объем и содержание исходных данных, необходимых для прогноза изменений температурного режима грунта при строительстве и эксплуатации сооружений принимают в зависимости от целей прогнозирования.

2.2. Величины среднегодовой температуры, мощности слоя сезонного промерзания-оттаивания грунтов по трассе дороги определяют в процессе изысканий.

2.3. Среднегодовую температуру вечномерзлых грунтов определяют путем единовременных замеров в скважинах на глубине нулевых годовых амплитуд (10-15 м).

2.4. Мощность слоев сезонного оттаивания и промерзания измеряют в конце критического периода, соответственно - в октябре или апреле.

2.5. Изменение среднегодовой температуры и глубины сезонного оттаивания грунтов в результате нарушения природных условий при строительстве и эксплуатации сооружений может быть выявлено по результатам режимных многолетних наблюдений в природных условиях или расчетным способом, при наличии количественных значений основных факторов, обусловливающих формирование температурного режима грунтов в рассматриваемых условиях, в том числе теплофизических свойств грунтов (теплопроводность, теплоемкость, скрытая теплота), термического сопротивления естественного покрова (мха, растительности, снега и т.п.) и применяемых теплоизоляционных материалов.

2.6. Теплопроводность грунта определяют полевыми, лабораторными методами принимают приведенные, например к СНиП 2.02.04-88, табличные данные или расчетом, используя зависимость

, (1)

где - коэффициент теплопроводности грунта в талом и мерзлом состояниях, ; k - коэффициент, величину которого принимают равным 1,6 (1,8) для гравийно-галечниковых грунтов в талом (мерзлом) состоянии; 1,5 (1,7) для песков; 1,4 (1,5) для супесей; 1,3 (1,4) для суглинков и глин; - плотность частиц грунта, ; W - влажность грунта, %.

2.7. Объемную теплоемкость грунта в талом и мерзлом состояниях, , можно определять по формуле

, (2)

где - удельная теплоемкость скелета грунта, равная для песка 0,19, суспеси 0,18, пылеватых грунтов 0,20, глин 0,22, гумуса 0,44, торфа 0,47, ; - удельная теплоемкость воды, равная ; - удельная теплоемкость льда, равная ; - количество незамерзшей влаги в грунте, %, принимаемое по СНиП 2.02.04-88; (для талого состояния грунта ).

2.8. Количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги Q в 1 , , определяют по формуле

, (3)

где W и - влажность грунта в долях единицы.

3. Прогноз температуры грунта на глубине нулевых годовых амплитуд

3.1. При прогнозировании учитывают зависимость температуры грунта на глубине нулевых годовых амплитуд от следующих параметров:

среднегодовой приведенной температуры воздуха, ;

осредненных величин термического сопротивления теплоизоляции или естественного поверхностного покрова (снега, травы, мха, торфа и т.п.), за летний и зимний периоды ;

величин коэффициентов теплопроводности грунта в талом и мерзлом состояниях, , .

3.2. Прогнозируемую температуру грунта на глубине нулевых годовых амплитуд при известных величинах , , и , можно определять по номограмме рис. 1, где - среднегодовая приведенная температура воздуха, характеризующая климатические условия; - безразмерный параметр, характеризующий теплофизические свойства грунта; - параметр, характеризующий условия теплообмена на поверхности грунта; - параметр, характеризующий различие между среднегодовыми температурами воздуха и грунта на глубине нулевых амплитуд.

3.3. Среднегодовую температуру воздуха , °С, определяют по формулам:

, (4)

, (5)

, (6)

где и - среднемесячные величины приведенных температур соответственно самого теплого и самого холодного месяцев года, взятые по модулю т.е. со знаком плюс.

Величины в формулах (4) и (5) следует брать со знаком минус, а в формуле (6) - со знаком плюс.

Величину определяют как среднее арифметическое из ежемесячных за зимний период величин термических сопротивлений поверхностного покрова.

3.4. Температуру грунта на глубине нулевых годовых амплитуд при отсутствии и наличии теплоизоляции на поверхности грунта можно определять соответственно по формулам:

, (7)

, (8)

, (9)

где R - термическое сопротивление теплоизоляции, уложенной на поверхности грунта; - параметр, представляющий собой разность температур грунта и воздуха; его величину определяют по номограмме рис. 1, при известной величине .

3.5. Среднегодовую температуру поверхности грунта под теплоизоляцией определяют по формуле

, (10)

где - параметр, определяемый по левой шкале номограммы, рис. 1, при известных значениях и .

Для этого точку пересечения ординаты, соответствующей известной величине , с кривой, характеризующей изменение - разности термического сопротивления теплоизоляции в зимний и летний периоды, определяемой по формуле

(11)

сносят на левую шкалу номограммы.

4. Учет влияния изменения условий теплообмена

4.1. Среднегодовая температура грунта на площадке с нарушенными в результате строительства естественными условиями теплообмена зависит от размеров площадки и степени нарушения условий теплообмена на ее поверхности.

4.2. Величину среднегодовой температуры грунта , °С, в центре строительной площадки можно определить по формуле

, (12)

где и - температуры грунта на глубине нулевых годовых амплитуд, определяемые соответственно для естественных условий теплообмена по формулам (7), (9) и на поверхности строительной площадки; с нарушенными условиями теплообмена по формулам (8) или (10); D - безразмерный параметр, характеризующий тепловое взаимодействие площадки с окружающей ее территорией.

4.3. Величину параметра D можно определять по формуле

(13)

или по графику на рис. 2, в зависимости от ширины площадки а, на поверхности которой нарушены условия теплообмена и глубины нулевых годовых амплитуд в грунте , принятой равной 15 м.

5. Приближенные методы прогнозирования глубины промерзания и оттаивания грунта

5.1. В результате нарушения поверхностных условий теплообмена на строительной площадке изменяются не только среднегодовая температура, но и глубина сезонного промерзания-оттаивания грунта.

5.2. Максимальную глубину сезонного промерзания и оттаивания грунтов можно определять по формулам:

максимальная глубина сезонного промерзания, м

, (14)

максимальная глубина сезонного оттаивания, м

, (15)

где , = осредненная температура воздуха соответственно за зимним и летний периоды, °С; , - продолжительность периода соответственно с отрицательной и положительной температурой воздуха, ч; , - толщина слоя грунта, эквивалентная по термическому сопротивлению величине теплоотдачи с поверхности земли в естественных условиях, с учетом теплоизоляции при ее наличии, соответственно за зимний и летний периоды.

Величины s, м, определяют по формулам:

, (16)

, (17)

где - коэффициент теплообмена на поверхности; его величину можно принимать равной в среднем .

5.3. Максимальную глубину сезонного оттаивания однородного и двухслойного массивов грунта при отсутствии теплоизоляции на поверхности можно определять по номограмме рис. 3 в в зависимости от суммы градусо-часов приведенных среднемесячных температур воздуха за теплый период и толщины верхнего слоя песчаного грунта : по верхней кривой номограммы (при ) определяют максимальную глубину сезонного оттаивания однослойного суглинистого грунта, а по нижней кривой - максимальную глубину сезонного оттаивания песчаного грунта.

Кривые в пределах от до соответствуют глубинам оттаивания двухслойного массива грунта при различной толщине верхнего слоя из песчаного грунта. Величину можно определять по площади кривых изменения приведенных среднемесячных температур воздуха за теплый период года.

5.4. Максимальную глубину оттаивания двухслойного массива грунта с использованием номограммы (см. рис. 3) определяют в следующем порядке:

а) по кривой при известной величине определяют глубину оттаивания песчаного грунта , м, которую корректируют с учетом фактических величин коэффициента теплопроводности и скрытой теплоты таяния льда, содержащегося в одном кубическом метре песчаного грунта по формуле

; (18)

б) по кривой определяют глубину оттаивания , м, суглинистого грунта, которую корректируют с учетом фактических величин и того же грунта по формуле

; (19)

в) определяют величину приращения глубины оттаивания двухслойного массива по сравнению с глубиной протаивания суглинистого грунта

; (20)

г) определяют фактическое приращение глубины оттаивания двухслойного массива грунта м, по формуле

; (21)

д) полную глубину оттаивания двухслойной толщи м, определяют по формуле

. (22)

5.5. В случаях, когда глубина оттаивания , полученная расчетом по формуле (15) превысит возможную при данных условиях максимальную глубину промерзания , в грунте с течением времени образуется талик, мощность которого, м, через N лет может быть определена приближенно по формуле

, (23)

где - максимальная глубина оттаивания грунта, определяемая по формулам (15) или (22); t - среднегодовая температура грунта в центре строительной площадки, определяемая по формулам (7) - (13).

6. Расчет теплоизоляционных покрытий для предохранения льдонасыщенных вечномерзлых грунтов от сезонного протаивания

6.1. Минимальную толщину слоя теплоизолирующего материала (пенопласт, шлак, торф и т.п.) , м, полностью предохраняющего подстилающий грунт от сезонного оттаивания, определяют по формуле

, (24)

где - глубина протаивания однородного грунта, определяемая по верхней кривой номограммы (см. рис. 3); - коэффициент теплопроводности теплоизолирующего материала в талом состоянии, ; ; - содержание скрытой теплоты таяния льда в расчете на 1 теплоизолирующего материала ().

6.2. Толщину слоя теплоизолирующего материала , ограничивающую оттаивание подстилающего грунта допустимой величиной , определяют по формуле

, (25)

где - максимальная глубина сезонного оттаивания слоя теплоизоляции, определяемая по формуле (24); - максимальная глубина сезонного оттаивания грунта без изоляции, определяемая по формулам (15) или (18), (19).

6.3. В проектном решении по применению теплоизоляции следует учитывать, что теплоизолирующий эффект пенопластовой теплоизоляции зависит от толщины слоя пенопласта, глубины его заложения от поверхности грунта и среднегодовой температуры воздуха. С увеличением толщины относительная теплоизоляционная эффективность пенопласта резко снижается. Поэтому не рекомендуется применять теплоизоляцию из пенопласта толщиной более 0,20 м. Если по расчету требуется большая толщина теплоизоляции, то под пенопластом целесообразно укладывать слой дренирующего материала мощностью, определяемой по условию предохранения нижележащего льдонасыщенного грунта основания от протаивания.

Наибольшая эффективность достигается при укладке пенопласта на поверхности грунта. Эффективность теплоизоляции понижается с увеличением глубины заложения пенопласта и повышением среднегодовой температуры воздуха. В районах со среднегодовой температурой воздуха ниже минус 5°С заглубление пенопласта в грунт повышает эффективность теплоизоляции.

6.4. Необходимую толщину слоев пенопластовой теплоизоляции и песчаной подушки под ней можно определять по графикам (рис. 4) в зависимости от суммы градусо-часов приведенной температуры воздуха за период оттаивания глубины размещения пенопласта от поверхности и допустимой глубины оттаивания грунта под ним s.

7. Теплофизические расчеты с использованием ЭВМ

7.1. Для количественной оценки результатов теплового взаимодействия транспортных сооружений с вечномерзлым грунтом могут быть применены программы, разработанные ЦНИИСом, в том числе СибЦНИИС и Тындинской мерзлотной станцией:

Лед-1 (одномерная задача) - для прогноза температурного режима грунта при переменных во времени условиях теплообмена на его поверхности;

МТС-1 (одномерная задача) - для прогноза температурного режима грунтовых массивов, намываемых или отсыпаемых в заданном режиме послойно в течение одного и более лет с учетом межсезонных перерывов и переменных во времени условий теплообмена на поверхности, включая учет конвективного переноса тепла при намыве;

Лед-2 и Лед-3 (двухмерная задача) - для прогноза изменений мерзлотно-грунтовых условий в однородных и разнообразных по теплофизическим свойствам, основаниях зданий, земляного полотна, мостов, водопропускных труб.

Лед-3 (двухмерная задача) - предназначена для моделирования процессов нестационарной теплопередачи в расчетной области со сложным ломаным контуром (например, насыпи с бермами, выемки с террассированными откосами и т.п.). Учитывает конвективный перенос тепла воздухом или фильтрующей водой при намыве и при оттаивании грунтов. На внешнем контуре расчетной области можно учитывать до 12-ти переменных во времени и одно постоянное снизу граничные условия. Расчетная область может включать неограниченное число разнообразных по свойствам материалов. Программа оттранслирована на языке Альфа-6 на ЭЦВМ БЭСМ-6;

ТСЛ-1-М (трехмерная задача). Позволяет учесть наличие в расчетной области до 8-ми различных материалов и 8-ми различных переменных во времени граничных условий. Может быть исследована сложная конфигурация расчетной области в виде комбинации блоков из прямоугольных параллелепипедов и призм. Данный алгоритм позволяет также решение задач в одно- и двухмерной постановке. В частности, разработан алгоритм ТЛ-1-М, для решения двухмерных задач;

Т-17а (двухмерная задача) предназначена для исследования процессов нестационарной теплопередачи в расчетной области со сложным ломаным контуром (например, насыпи и выемки на косогорах и т.п.). Позволяет учитывать влияние грунтовой воды, циркулирующей в деятельном слое, склонов и откосов выемок. На внешнем контуре расчетной области допускается 6 переменных во времени и одно постоянное граничные условия. Расчетная область может включать до 4-х разнородных материалов;

ТЛ-2 (двухмерная задача) предназначена для исследования процессов теплопередачи в расчетной области цилиндрического очертания. Допускается до 4-х видов разнородных материалов (включая твердеющий бетон). Температурный режим можно рассчитывать с учетом экзотермического выделения тепла при твердении бетона, в том числе в цилиндрических опорах мостов и тоннельной обделке, находящихся в контакте с вечномерзлым грунтом, а также исследовать ход нарастания прочности бетона во времени.

PQ007 (одно-, двухмерные задачи) объединяет возможности алгоритмов ТЛ-1-М и ТЛ-2. Она записана на языке Фортран и протранслирована на машине Минск-32 (1, 2).

Рабочая программа расчета может быть составлена ЭВМ из модулей - программных единиц, имеющихся в библиотеке ЭВМ, по указаниям головной программы, написанной программистом для конкретной задачи.

7.2. Для выполнения расчетов на ЭВМ необходимы исходные данные, характеризующие условия:

климатические (приведенная тепература воздуха, толщина и плотность снежного покрова, скорость ветра);

мерзлотно-грунтовые (геологическое строение грунтового массива, физические и теплофизические свойства грунтов, вид поверхностного покрова, распространение и мощность вечномерзлых грунтов, температура грунта на глубине нулевых амплитуд, толщина слоя сезонного оттаивания или промерзания), а также конструктивно-технологические параметры, сооружения (конструкция и размеры, температура внутри сооружения, теплофизические характеристики материалов, сезон строительства и технология работ).

7.3. Выполнение расчетов включает: подготовку исходных данных, расчет на ЭВМ, обработку полученных результатов.

7.4. Расчет на ЭВМ состоит в последовательном выполнении следующих операций: ввод в читающее устройство ЭВМ программы расчета и исходной информации, счет по заданной программе и вывод результатов расчета на печать. Длительность расчета зависит от быстродействия ЭВМ, величины временного шага, количества блоков и продолжительности исследуемого процесса, составляя в большинстве случаев от 30-40 мин, до 2-3 ч на БЭСМ-4 и от 10-15 мин до 30-40 мин на БЭСМ-6.

7.5. Результаты расчета фиксируются печатающим устройством машины в виде значений температур и количеств теплоты фазовых переходов в блоках на любые наперед заданные моменты времени. По результатам расчета строят графики изменения во времени глубины промерзания и оттаивания, а также температуре поля, соответствующие экстремальным условиям промерзания и оттаивания: при расчете максимального промерзания - по состоянию на март-апрель, максимального оттаивания - на сентябрь-октябрь.

В зависимости от цели прогноза результаты расчета могут быть представлены также графиками: изменения изотермы оттаивания в процессе формирования установившегося температурного режима (для расчета динамики осадки сооружения, изменения температуры грунта по глубине в характерных сечениях области (например, у фундамента здания при расчете его на выпучивание) и др.

8. Примеры расчета

Пример 1. Требуется определить глубину сезонного оттаивания грунта под подушкой из песчано-гравийной смеси толщиной 0,8 м (, ), подстилаемой супесчаным льдонасыщенным грунтом (, ).

Сумма градусо-часов приведенных температур воздуха за летний период град-ч.

1. По номограмме 3 при град-ч находим:

м, м; определяем м;

2. По формуле (19): м;

3. По формуле (20): м;

4. По формуле (21): м;

5. По формуле (22): м.

6. Полная глубина оттаивания от поверхности подсыпки составит

м.

Пример 2. Требуется определить изменение температуры грунта на глубине нулевых годовых амплитуд по оси полосы грунта шириной м, оголенной от растительного покрова. Среднегодовая температура грунта на окружающей территории, определенная в период изысканий, составляет минус 3,2°С. Климатические условия района характеризуют следующие данные: среднемесячные величины приведенных температур самого теплого и самого холодного месяцев составляют , ; среднее термическое сопротивление снежного покрова за зимний период равно ; грунты площадки представлены льдонасыщенной супесью, имеющей коэффициенты теплопроводности в талом и мерзлом состояниях соответственно , , глубина нулевых годовых амплитуд м.

1. По формуле (6) определяем амплитуду годового хода среднемесячных приведенных температур воздуха

.

2. По формуле (4) определяем

.

3. Вычисляем значение параметра , необходимого для пользования номограммой рис. 1

.

4. По номограмме рис. 1 при , и определяем , тогда .

5. Вычисляем значения безмерного параметра Е, необходимого для пользования графиком рис. 2.

.

6. По номограмме рис. 2 находим:

.

7. По формуле (13) находим температуру на глубине нулевых годовых амплитуд по оси полосы оголенного грунта

.

Пример 3. Для условий, рассмотренных в примере 1, требуется определить толщину слоя пенопласта, который следует уложить под песчаной подушкой мощностью 0,8 м, чтобы полностью исключить оттаивание подстилающих льдонасыщенных грунтов.

1. По графику рис. 4, в при град-ч и s = 0 м получаем

см.

2. Если слой теплоизоляции разместить в толще насыпного грунта на глубине 0,4 м от поверхности и допустить оттаивание слоя дренирующего грунта ниже пенопласта на глубину 0,4 м, то по графику рис. 4, б определяем толщину слоя пенопласта, равную 6 см.

Список литературы

1. Пассек В.В., Бродский А.М. Алгоритм "Расчет трехмерных температурных полей в основании и теле транспортных сооружений" (PQ021), Госфонд алгоритмов и программ, П004942, Бюлл. N 6 (44), 1981.

2. Пассек В.В. Алгоритм "Расчет температурного режима основания и тела транспортных сооружений (PQ007)", Госфонд алгоритмов и программ, П005248, Бюлл. N 3 (47), 1982.