Приложение А. Методика подготовки исходных данных для расчетов по прогнозированию температурного режима грунтов оснований после постройки сооружений

Приложение А

Методика подготовки исходных данных для расчетов по прогнозированию температурного режима грунтов оснований после постройки сооружений

А.1 Рассматриваемая область расчетов характеризуется краевой теплофизической задачей математической физики, в которой для прогнозирования температурного режима грунтов необходимо и достаточно пять групп параметров, определяющих:

- конфигурацию расчетной области;

- теплофизические характеристики материалов;

- характеристику теплового процесса;

- начальные условия;

- граничные условия.

А.2 Конфигурация расчетной области включает в себя не только конфигурацию самого сооружения, но и прилегающей зоны теплового влияния. В общем случае расчетная область представляет пространственную (трехмерную) фигуру. Для земляного полотна допускается двухмерная схема (рисунок А.1).

Границы области теплового взаимодействия сооружения с окружающей средой должны устанавливаться на таком расстоянии от объекта, чтобы сложившийся в естественных условиях до строительства температурный режим грунта на этой границе за весь срок прогноза не испытывал влияния процессов теплообмена, происходящих внутри выделенной области. Для этого следует назначать границы исследования на расстоянии двух-трех ширин сооружения в каждую сторону (рисунок А.1). Прогнозирование температурного поля под сооружением следует выполнять на глубину до 20-30 м.

В общем случае в выделенную область попадают не только участки территории с ненарушенными естественными условиями на поверхности, сложившимися до начала строительства дороги, но и участки, претерпевшие нарушение при подготовке к началу строительства, а также поверхности, находящиеся под локальным влиянием дорожных сооружений. К таким нарушениям относятся повреждение или полное уничтожение мохово-торфяного покрова, вырубка леса, осушение или обводнение территории и др. Для полноценного анализа особенностей формирования температурного режима в пределах рассматриваемой области все участки с различающимися условиями теплообмена на поверхности должны быть выделены в отдельные зоны граничных условий, для которых в последующем производится определение граничных условий - приведенных среднемесячных температур воздуха, термических сопротивлений теплообмену на поверхности и приведенных коэффициентов теплообмена на поверхности.

При выделении зон граничных условий следует учитывать особенности распределения снежного покрова, как на самом сооружении, так и в пределах всей выделенной области теплового взаимодействия сооружения с окружающей средой.

А.3 Теплофизические характеристики материалов в общем случае должны характеризоваться следующими параметрами:

- коэффициентом теплопроводности для талого состояния материала, ;

- коэффициентом теплопроводности для мерзлого состояния материала, ;

- объемной теплоемкостью для талого состояния материала, ;

- объемной теплоемкостью для мерзлого состояния материала, ;

- объемом скрытых теплот при фазовых изменениях, ;

- температурой (диапазоном температур) промерзания-протаивания.

В расчетной схеме (А.2) должны быть определены границы области для каждого материала.

А.4 Характеристика теплового процесса - передача тепла в расчетной области может происходить за счет кондуктивной теплопроводности, за счет конвекции, за счет излучения, при этом конвекция может быть воздушной или за счет переноса тепла фильтрующей водой, излучение может составлять значительную часть теплопереноса в различных полостях.

В зависимости от характеристик теплового процесса осуществляют выбор программы для ЭВМ, корректируют форму и состав исходных данных.

А.5 Начальные условия - температурное поле на момент начала расчета.

А.6 Граничные условия - изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружения температуры окружающей среды (воздуха или воды) и условий теплообмена с окружающей средой на поверхности расчетной области.

Температуру t окружающей среды рекомендуется задавать в виде 12 среднемесячных значений по форме таблицы А.1.

Условия теплообмена характеризуются коэффициентом теплопередачи A, который также рекомендуется задавать в виде 12 среднемесячных значений по форме таблицы А.1.

Представленная в таблице А.1 форма задания граничных условий соответствует по терминологии математической физики граничным условиям 3-го рода.

Таблица А.1 - Форма задания граничных условий для расчетов по прогнозированию температурного режима грунтов оснований

Номер зоны граничных условий	Вид граничного условия	Среднемесячные значения
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	Температура среды t, °C
	Коэффициент теплопередачи A,
k	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...
n	Температура среды t, °C
	Коэффициент теплопередачи A,

В практике расчетов иногда применяются граничные условия 1-го рода - задание изменения во времени не температуры окружающей среды, а температуры поверхности расчетной области или ее участков. Форма задания исходных данных может быть также сведена к форме по таблице А.1, при этом температура поверхности задается как температура t среды, а коэффициент теплопередачи A задается большим - 400 .

Граничные условия 2-го рода применяются редко, поэтому форма задания диктуется схемой используемой программы для ЭВМ.

А.7 При определении температуры воздуха следует учитывать солнечную радиацию и испарения с поверхности для освещенных солнцем поверхностей с учетом их ориентации.

Расчетное значение среднемесячной приведенной температуры воздуха , °C, определяется по формуле

,

где t - среднемесячная температура воздуха, определяемая по данным, имеющимся в климатологических справочниках, °C;

и - поправки к среднемесячным температурам воздуха за счет соответственно солнечной радиации и испарения, °C.

Здесь .

,

где r - среднемесячная сумма радиационного баланса для рассматриваемого элемента поверхности, ;

- коэффициент теплообмена на поверхности грунта, , приближенно вычисляемый по формуле

,

где V - скорость ветра, м/с;

k - коэффициент, учитывающий характер поверхности, принимаемый в первом приближении равным 0,8 для естественной поверхности и 0,3 - для оголенной.

При отсутствии достаточных данных допускается учитывать суммарную поправку путем прибавления к среднемесячным значениям температуры воздуха с апреля по сентябрь добавки .

А.8 Коэффициент теплопередачи A следует определять по формуле

A = 1 / R, ;

, ,

где - термическое сопротивление на поверхности расчетной области, определяемое по формуле

,

где - толщина теплоизоляции (снег, пенопласт, травяной покров и др.), м;

- коэффициент теплопроводности теплоизоляции, ;

F - площадь, на которую рассчитывается термическое сопротивление, ;

- термическое сопротивление теплоотдаче от твердого тела в воздух или в воду:

,

где - коэффициент теплоотдачи, .

А.9 Коэффициент теплопередачи A для ненарушенных зон (см. рисунок А.1), т.е. находящихся вне самого сооружения и связанных с ним нарушенных зон (дополнительных снежных отложений, нарушенных растительных покровов, обводнений и т.п.) следует определять решением обратных задач, т.е. путем подбора такого сочетания среднемесячных значений A, которые для соответствующей местности температуре воздуха и для соответствующей геологии обеспечили бы ту температуру грунта, которая получена при изысканиях.