Приложение Б. Теплофизический мониторинг

Приложение Б

Теплофизический мониторинг

Б.1 Температурный режим грунтов тела и оснований сооружений. Расчетные параметры

Б.1.1 Для оценки несущей способности фундамента необходимо знать температурное поле в расчетный момент времени, т.е. тот момент, в который температура грунтов наиболее высокая. Такой момент наступает в конце теплого периода года, т.е. - на 1 октября. Температурное поле - это распределение температур в плоскости или в пространстве в фиксированный момент времени. Чтобы определять температурные поля в этот момент, необходимо изучать температурный режим - изменение во времени температурных полей.

Б.1.2 В течение службы сооружения температура грунтов на 1 октября не постоянна, а зависит от ряда обстоятельств, поддающихся расчету. Поэтому перед проектированием сооружения определяют наиболее неблагоприятное распределение температур в течение всего срока службы дороги и назначают расчетные значения.

Б.1.3 Кроме осенних измерений необходимо проведение весенних измерений, которые необходимы для контроля:

- размеров твердомерзлых зон (например, при поверхностном охлаждении массивов талых грунтов);

- работы термоопор и других охлаждающих систем;

- размеров таликов.

Б.2 Особенности температурного режима грунтов тела и оснований земляного полотна, водопропускных труб и мостов

Б.2.1 В земляном полотне температурные поля описаны двумерной моделью. На рисунках Б.1 и Б.2 представлены положения наиболее характерных точек, в которых важно знать температуру на момент окончания теплого периода года, чтобы правильно представить температурное поле.

Измерение температур производят для обеих половин поперечного сечения земляного полотна. Допускается производить измерение одной половины в случае обоснования тепловой симметрии по отношению к оси пути.

Б.2.2 В зоне водопропускных труб тепловые процессы описывают трехмерной моделью. Если непосредственно в вертикальной плоскости, проходящей по оси трубы, суммируются летние протаивания от поверхности основной площадки насыпи и от тела трубы, то в прилегающих участках насыпи картина протаивания более благоприятна, что, в свою очередь, может быть благоприятно использовано при расчете несущей способности трубы.

Для водопропускных труб измерения температур рекомендуется производить по схеме рисунка Б.1. Створы следует располагать не далее 3 м от боковой поверхности трубы. При этом рекомендуется для подходных участков насыпи створы располагать не далее 20 м от оси трубы.

Б.2.3 В пределах мостовых переходов температурные поля имеют трехмерный характер. Температуру необходимо измерять в каждой опоре.

Б.3 Форма температурных наблюдений

Б.3.1 Измерения температур рекомендуется производить с помощью термодатчиков, закладываемых в термоскважины. Общий вид отдельной термоскважины приведен на рисунке Б.3.

Б.3.2 Термоскважины часто выходят из строя, поэтому их рекомендуется предусматривать в составе конструкции самого инженерного сооружения.

В мостах термоскважины рекомендуется обустраивать в теле опор и столбов. В случае применения термоопор специальных термоскважин допускается не предусматривать, а обустраивать отверстия в стенках термоопоры и измерения производить в полости термоопоры на момент окончания теплого периода года.

Б.4 Нумерация термоскважин

Б.4.1 Нумерация термоскважин должна быть четко определена, чтобы обеспечить унификацию результатов измерений.

Б.4.2 Насыпь

Для насыпи измерения температур следует производить в соответствии со схемами рисунков Б.1 и Б.4. Если ориентировать дорогу по ходу возрастания километров и стать в этом направлении лицом, то рекомендуется нумерация скважин, приведенная на рисунке Б.6:

N 1 - расположена в поле слева от насыпи, вне зоны ее теплового влияния;

N 2 - расположена в зоне подошвы левого откоса насыпи;

N 3 - расположена в верхней части левого откоса насыпи или в зоне основной площадки насыпи;

N 4 - расположена в верхней части правого откоса насыпи или в зоне основной площадки насыпи;

N 5 - расположена в зоне подошвы правого откоса насыпи;

N 6 - расположена в поле справа от насыпи, вне зоны ее теплового влияния.

Если какая-то скважина не предусмотрена, то порядок нумерации от этого не изменяется.

Если в какой-то из указанных зон заложено несколько термоскважин, то номера их также не меняются, а обозначаются дополнительным буквенным индексом: например, 3а, 3б, 3в.

Б.4.3 Для выемки нумерация принята такой же, как для насыпи.

Б.4.4 Для водопропускной трубы нумерация принимается такой же, как для насыпи (рисунок Б.6). Тепловые процессы носят трехмерный характер. Поэтому в некоторых случаях может потребоваться установка термоскважин в теле подходной части насыпи впереди по ходу нарастания километров или позади. В этом случае к номерам термоскважин добавляется индекс соответственно "п" или "з" (рисунок Б.7).

Б.4.5 Схема расположения термоскважин принимается с учетом особенностей сооружения.

Б.5 Учет отклонений фактических моментов времени измерений от расчетных

Б.5.1 Расчетный момент времени измерений приводят к одной дате - 1 октября путем внесения поправок по таблице Б.1, учитывающих разную глубину и время измерений.

Таблица Б.1 - Поправки для приведения результатов измерений к расчетному моменту измерений

Время измерения	Значение поправки при глубине измерений, м
	5	10	15	20	30
Один месяц до	+0,5	+0,2	+0,1	0	0
Один месяц после	0	0	0	0	0

Б.5.2 Если время измерения не совпадает с расчетным более чем на 2 месяца, то пересчет полученных данных на расчетный момент рекомендуется осуществлять численным методом.

Б.6 Схема проведения и оформления результатов теплофизического мониторинга земляного полотна

Б.6.1 Для воспроизведения температурного режима необходимы измерения в шести термоскважинах: N 1 - слева от насыпи на расстоянии 50-60 м от подошвы ее откоса, в ненарушенной зоне, N 6 - то же, но справа от насыпи; N 2 и N 5 - у подошвы откоса насыпи, соответственно слева и справа; N 3 и N 4 - в верхней части откоса или у края основной площадки соответственно слева и справа (рисунок Б.8).

Для формализации результатов измерений рекомендуется привести поперечник насыпи или выемки к упрощенному виду, выделив шесть узловых точек: A, B, C, D, E, F (рисунок Б.8). Координаты этих точек указывают в таблице Б.2, при этом за начало координат принимают пересечение вертикальной прямой, проходящей через ось пути с естественной поверхностью грунта (т.е. в насыпи начало координат ниже пути, а в выемке - выше).

Поскольку верх термоскважин не всегда совпадает с узловыми точками насыпи или выемки, в таблице Б.2 также приводятся координаты верха скважины (т.е. на уровне поверхности земляного полотна или ненарушенной поверхности).

Б.6.2 Заполняются температурные состояния для всех шести термоскважин, необходимые для анализа температурного режима; заносятся в таблицу Б.3:

- начальные температурные состояния (т.е. на момент окончания строительства);

- температурное состояние года, предшествующего тому, когда осуществляется анализ;

- температурное состояние на текущий год;

- расчетное температурное состояние.

Таблица Б.2 - Координаты узловых точек поперечного сечения земляного полотна и основных термоскважин (пример)

Объект	Обозначение узловых точек	Координаты, м		Номер термоскважины	Координаты верха термоскважины, м
		x	y		x	y
Насыпь км ____ (ПК ____)	A	-80,0	-2,5	1	-80,0	-2,5
	B	-22,7	-1,4	2	-19,0	-1,0
	C	-8,0	+4,0	3	-8,5	+3,4
	D	+8,0	+4,0	4	+8,5	+3,4
	E	+18,0	+1,5	5	+18,5	+1,6
	F	+80,0	+2,5	6	+80,0	+2,5

Б.6.3 Если измерения температур, заносимые в таблицу Б.3, осуществлялись не 1 октября, то к их значениям делают поправки, в частности с применением рекомендаций Б.5.

В качестве примера в таблице Б.3 приведены измерения, произведенные в 2010 г. и в 2012 г. Практически они выполнялись около 1 октября, поэтому поправка не делается. Измерения в 2013 г. производились 18 августа, поэтому для температур на глубине 5 м и 10 м сделаны поправки, учитывающие изменения до 1 октября.

Б.6.4 Цель анализа температурного режима грунтов - получение ответа на вопрос: удовлетворительное состояние грунтов оснований или требуется вмешательство для улучшения этого состояния, для чего осуществляется оценка теплового состояния грунтов.

Оперативная оценка осуществляется сопоставлением фактических температур в конкретном текущем году и расчетных. Смысл этой проверки - оценить, насколько текущее температурное состояние соответствует расчетному.

Стратегическая оценка осуществляется сопоставлением фактического температурного состояния с фактическим температурным состоянием в предыдущем году. Смысл этой проверки заключается в том, чтобы оценить, в какую сторону идет тепловой процесс.

Б.6.5 Для осуществления оперативной и стратегической оценок принят один и тот же алгоритм. Назначено три оценки : критическая - красный цвет (К), удовлетворительная - желтый цвет (Ж), хорошая - зеленый цвет (З).

Таблица Б.3 - Температурные состояния грунтов тела и основания земляного полотна (пример)

Объект	Номер термоскважины	Дата измерения	Глубина от поверхности, м
			1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Насыпь км __ (ПК __)	Начальное температурное состояние, °С
	1	05.10.2010	-1,0	-0,5	-2,0	-2,8	-3,0	-3,1	-3,2	-3,3	-3,4	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5
	2		-1,0	-0,1	-1,5	-2,8	-3,0	-3,1	-3,2	-3,3	-3,4	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5
	3		-1,0	0,3	-0,5	-2,5	-2,7	-2,9	-3,1	-3,3	-3,4	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5
	4		-1,0	0,3	-0,5	-2,5	-2,7	-2,9	-3,1	-3,3	-3,4	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5
	5		-1,0	-0,1	-1,5	-2,8	-3,0	-3,1	-3,2	-3,3	-3,4	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5
	6		-1,0	-0,5	-2,0	-2,8	-3,0	-3,1	-3,2	-3,3	-3,4	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5
	Температурное состояние предшествующего года, °С
	1	25.09.2012	2,3	-0,5	-1,3	-1,7	-2,2	-2,7	-3,0	-3,3	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5
	2		2,6	-0,1	-0,7	-1,1	-1,4	-1,6	-1,8	-2,1	-2,3	-2,5	-2,6	-2,8	-3,1	-3,2	-3,3
	3		2,8	0,3	-0,8	-1,5	-2,1	-2,4	-2,7	-3,0	-3,0	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3
	4		2,8	0,3	-0,8	-1,5	-2,1	-2,4	-2,7	-3,0	-3,0	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3
	5		1,3	-0,1	-0,2	-1,4	-1,8	-2,3	-2,6	-2,8	-3,0	-2,9	-3,0	-3,1	-3,2	-3,3	-3,3
	6		2,3	-0,5	-1,3	-1,7	-2,2	-2,7	-3,0	-3,3	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5	-3,5
	Температурное состояние на текущий год, °С
	1	18.08.2013	1,7	-1,2	-2,2	-2,8	-3,4 (-2,9)	-3,7	-3,9	-4,0	-4,1	-3,8 (-3,6)	-3,8	-3,7	-3,6	-3,5	-3,5
	2		5,0	-0,1	-0,8	-1,2	-1,6 (-1,1)	-1,8	-2,1	-2,3	-2,6	-2,5 (-2,3)	-2,7	-2,9	-3,0	-3,2	-3,3
	3		5,4	0,4	-1,0	-2,0	-2,7 (-2,2)	-3,0	-3,2	-3,4	-3,3	-3,3 (-3,1)	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3
	4		5,4	0,4	-1,0	-2,0	-2,7 (-2,2)	-3,0	-3,2	-3,4	-3,3	-3,3 (-3,1)	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3	-3,3
	5		2,8	-0,7	-1,6	-2,4	-2,9 (-2,4)	-3,3	-3,6	-3,7	-3,8	-3,6 (-3,4)	-3,4	-3,2	-3,0	-3,2	-3,3
	6		1,7	-1,2	-2,2	-2,8	-3,4 (-2,9)	-3,7	-3,9	-4,0	-4,1	-3,8 (-3,6)	-3,8	-3,7	-3,6	-3,5	-3,5
	Расчетное температурное состояние, °С
	1	В любой момент времени на стадии эксплуатации	6,0	0,0	-1,0	-1,5	-2,0	-2,3	-2,5	-2,7	-2,8	-3,0	-3,0	-3,0	-3,0	-3,0	-3,0
	2		6,0	0,0	-0,5	-0,8	-1,0	-1,2	-1,3	-1,4	-1,4	-1,5	-1,5	-1,5	-1,5	-1,5	-1,5
	3		6,0	0,0	-1,0	-1,3	-1,5	-1,7	-1,8	-1,9	-1,9	-2,0	-2,0	-2,0	-2,0	-2,0	-2,0
	4		6,0	0,0	-1,0	-1,3	-1,5	-1,7	-1,8	-1,9	1,9	-2,0	-2,0	-2,0	-2,0	-2,0	-2,0
	5		6,0	0,0	-0,5	-0,8	-1,0	-1,2	-1,3	-1,4	-1,4	-1,5	-1,5	-1,5	-1,5	-1,5	-1,5
	6		6,0	0,0	-1,0	-1,5	-2,0	-2,3	-2,5	-2,7	-2,8	-3,0	-3,0	-3,0	-3,0	-3,0	-3,0
Примечание - В скобках даны температуры с поправками на 1 октября.

Критическая принимается тогда, когда или больше или равно 0,5°С, удовлетворительная - если или меньше 0,5°С, но больше 0,01°С. В остальных случаях - принимается хорошая оценка. При этом

,

,

где - показатель оперативной оценки;

- показатель стратегической оценки;

- фактическая температура на определенной глубине, °С;

и - то же, соответственно в текущий момент времени и в предыдущий год, °С;

- расчетная температура на определенной глубине, °С.

Сопоставление производится для каждого участка высотой (толщиной) 5 м до глубины 15 м (в некоторых случаях допускается до глубины 10 м). Всего 3 участка. Результаты оперативной и стратегической оценок приведены в таблице Б.4. Получается 3 оценки по каждой скважине. Для получения общей оценки по каждой скважине применяется следующая методика. Зеленый цвет оценивается цифрой "-1", желтый - цифрой "0", красный - цифрой "1". Далее находится среднее значение f по каждой скважине. Вводятся промежуточные оценки: зелено-желтая (ЗЖ), желто-зеленая (ЖЗ), желто-красная (ЖК), красно-желтая (КЖ).

Таблица Б.4 - Обобщенные данные по сопоставлению фактических температур с расчетными и по показателю направленности теплового процесса (пример)

Место оценки	Насыпь км ___ ПК ____
	Номер термоскважины
	1	2	3	4	5	6
	Сопоставление фактических температур с расчетными
На глубине 5 м	З	З	З	З	З	З
На глубине 10 м	З	З	З	З	З	З
На глубине 15 м	З	З	З	З	З	З
Итого по скважине	З	З	З	З	З	З
Итого по поперечнику	З
	Оценка направленности процесса
На глубине 5 м	З	Ж	З	З	З	З
На глубине 10 м	З	Ж	Ж	Ж	З	З
На глубине 15 м	З	З	З	З	З	З
Итого по скважине	З	ЖЗ	ЗЖ	ЗЖ	З	З
Итого по поперечнику	ЖЗ

При ,

при ,

при ,

при ,

при ,

при ,

при .

Таким образом, каждую скважину оценивают по одной из 7 оценок.

Б.6.6 Весь поперечник оценивается оценкой скважины N 3 или N 4, т.е. по той, которая имеет худшее состояние. Если какая-то скважина в пределах всего поперечника (кроме N 3 и N 4) имеет худшие показатели, то оценка всего поперечника уменьшается на одну ступень по сравнению с оценкой, сделанной по скважине N 3 или N 4.

Характеристика температурного состояния отражена на рисунке Б.9, а температурное поле на 1 октября текущего года приводится на рисунке Б.10.

Б.7 Схема проведения и оформления результатов теплофизического мониторинга водопропускных труб

Б.7.1 Основная составляющая теплофизического мониторинга водопропускных труб - теплофизический мониторинг насыпей в зоне водопропускных труб. Кроме того, в ряде случаев целесообразно измерять температуру внутри полости трубы, внутри полости продухов и т.п.

Б.7.2 Мониторинг насыпей в зоне водопропускных труб осуществляется по Б.6, а расположение поперечных сечений для мониторинга - по рисунку Б.7.

Б.8 Принципы корректирования температурного прогноза в зависимости от результатов текущих измерений, их анализа и принятия конструктивно-технологических мер

Б.8.1 Мероприятия по регулированию температурного режима обеспечиваются конструкцией и технологией сооружения земляного полотна и сводятся к выполнению условий:

,

, (Б.1)

где и - фактические значения указанных параметров в процессе наблюдений;

и - расчетные значения соответственно температуры грунта и глубины сезонного протаивания в характерных точках.

Б.8.2 Если в процессе мониторинга условия (Б.1) не выполняются, то необходимо предусматривать дополнительные КТМ, направленные на охлаждение грунтов оснований, в частности, применение автономных охлаждающих установок, поверхностных покрытий и т.п.

Б.9 Алгоритм программы визуализации

Для обработки результатов проведения мониторинга рекомендуется разработать программы, учитывающие рекомендации приложения Б и специфику местных условий.