Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1: Современное состояние теоретріческих и экспериментальных исследований пучения промер зающих грунтов и методов борьбы с ним 10
1.1 Введение 10
1.2 Пучение промерзающих грунтов 11
1.3 Методы борьбы с морозным пучением 14
1.3.1 Инженерно - мелиоративные мероприятия и термохимические мероприятия 16
1.3.2 Строительно-конструктивные мероприятия 17
1.4 Теплоизоляция фундаментов 23
1.4.1 Поверхностные теплоизолированные фундаменты (ПТФ) 25
1.4.2 Полимерные материалы для строительства 27
1.5 Задачи исследования 32
ГЛАВА 2: Применение численных методов для решения задач промерзания/оттаивания грунта в основании теплоизолированных фундаментов 33
2.1 Общая постановка задачи 33
2.1.1 Введение 33
2.1.2 Краевые условия задачи - 34
2.1.3 Температура воздуха 36
2.1.4 Солнечная радиация 3 6
2.1.5 Геотермальное тепло 3 7
2.2 Решение задач промерзания/оттаивания грунта в основании фундаментов ПТФ методом конечных элементов 38
2.2.1 Выбор расчетного аппарата 38
2.2.2 Расчетные схемы задачи 39
2.2.3 Теплофизические характеристики грунтов 40
2.2.4 Способ задания температур воздуха и солнечной радиации 44
2.2.5 Выбор шага расчета по времени и по пространству 46
2.2.6 Постановка проблемы задания расчетной зоны 46
2.3 Оптимизация расчетной схемы задачи 49
2.3.1 Определение глубины расчетной зоны 49
2.3.2 Влияние глобальных факторов 52
2.3.3 Начальное распределение температур 57
Выводы по главе 2 63
ГЛАВА 3: Численный анализ температурного поля в основании теплоизолированного фундамента 65
3.1 Глубина промерзания и факторы, влияющие на нее 65
3.1.1 Температура воздуха, холодная пятидневка 65
3.1.2 Теплопроводность и теплоемкость грунта 67
3.1.3 Толщина утеплителя 74
3.1.4 «Вылет» утеплителя за грани фундамента 74
3.1.5 Высота и вылет утепленной засыпки 78
3.1.6 Зависимость глубины промерзания от суммы градусо-суток 80
3.2 Анализ температурного поля под подошвой фундамента при наличии теплоизоляции 81
3.3 Оптимизация формы обратной теплоизолированной засыпки 88
3.4 Температурное поле под подошвой фундамента при учете теплового влияния здания 96 Выводы по главе 3 99
ГЛАВА 4: Экспериментальные исследования температурных полей в основании теплоизолированных фундаментов 101
4.1 Задачи, условия и методика выполнения экспериментальных исследований 101
4.1.1 Описание площадок проведения экспериментов 101
4.1.2 Климатическое описание зимнего сезона 106
4.1.3 Геологические и гидрогеологические условия площадок 106
4.1.4 Измерительная аппаратура, схемы заложения датчиков 108
4.2 Результаты измерений 111
4.2.1 Температура воздуха 111
4.2.2 Температура грунта в основании фундаментов ПТФ 113
4.3 Анализ результатов измерений 117
Выводы по главе 4 119
ГЛАВА 5: Практические рекомендаоди по тепловому расчету и устройству поверхностных теплоизолированных фундаментов 120
5.1 Экономическое сравнение вариантов фундаментов 120
5.1.1 Исходные данные для сравнения вариантов 120
5.1.2 Конструктивные решения вариантов 121
5.1.3 Сравнение вариантов проектирования 122
5.2 Рекомендации по расчету и устройству теплоизолированных фундаментов 125
5.2.1 Макет ТСН «Основания и фундаменты строящихся и реконструируемых зданий и сооружений на территории Уральского Федерального Округа» 125
5.2.2 Поверхностные теплоизолированные фундаменты 125
5.2.3 Методика назначения допустимой глубины промерзания, оценка пучинистости грунтов 126
5.2.4 Конструктивные решения ПТФ 130
5.2.5 Расчет и проектирование. Методика расчета ПТФ 132
5.2.6 Производство работ по устройству фундаментов ПТФ 136
Общие выводы 139
Список Литературы
- Методы борьбы с морозным пучением
- Решение задач промерзания/оттаивания грунта в основании фундаментов ПТФ методом конечных элементов
- Температура воздуха, холодная пятидневка
- Геологические и гидрогеологические условия площадок
Введение к работе
Актуальность работы. По климатическим особенностям в России строительство ведется на сезоннопромерзающих грунтах, в том числе, с глубоким сезонным промерзанием. Сезонное промерзание фунтов наблюдается на территории, занимающей 43% всей площади России. На остальной (57%) территории залегают толщи многолетнемерзлых грунтов. Глубина сезонного промерзания грунтов колеблется в широких пределах, достигая 3-4 м в северных и восточных регионах страны.
Строительные нормы и правила требуют при строительстве на пучинистых грунтах заглублять фундаменты ниже глубины сезонного промерзания грунтов, т.к. промерзание основания во время строительства или эксплуатации может привести к недопустимым деформациям сооружения. При этом допускается уменьшение глубины заложения фундаментов на непучинистых грунтах в зависимости от положения уровня грунтовых вод и др. условий. Нормы также допускают закладывать подошву фундамента в пучинистых грунтах выше расчетной глубины промерзания, если исследованиями и расчетами доказано, что деформации грунтов при промерзании-оттаивании не приведут к нарушению эксплуатационной пригодности сооружения. Иными словами, решение об уменьшении глубины заложения фундаментов должно подкрепляться как корректной методикой расчета, так и положительными практическими примерами.
Заглубление фундаментов ниже глубины сезонного промерзания приводит к большому объему земляных и бетонных работ, в конечном счете, увеличивая стоимость фундаментов (до 25 - 50%) и долю фундаментов в суммарной стоимости здания. Особенно существенно этот факт сказывается на малоэтажных зданиях, в которых стоимость фундаментов распределяется на не большое количество этажей, тем самым резко повышая стоимость 1 м жилья по сравнению с многоэтажными зданиями. При этом действие нормальных сил на подошву прекращается, а касательные силы пучения по боковым поверхностям фундамента значительно возрастают (в малоэтажных зданиях эти силы часто превосходят нагрузку, действующую на фундаменты, вследствие чего последние также подвергаются пучению - деформируются).
С развитием капитального строительства требование о глубоком заложении фундаментов в условиях сезонно промерзающих грунтов приобрело характер аксиомы. Усилия многих ученых были направлены на поиски более экономичных решений проблемы. Ее решали усиленным армированием фун автомобильных дорогах, аэродромах, набережных, и др. сооружениях, где уже более 40 лет они успешно предохраняют грунт основания от промерзания.
Отмечается, что методика подбора параметров теплоизоляции ПТФ слабо проработана. Расчет строится на простейших (интуитивных) принципах, основан на решении одномерной тепловой задачи. Отсутствуют четкие рекомендации по выполнению теплотехнических расчетов для решения задач промерзания-оттаивания грунта в основании ПТФ, (нелинейных и нестационарных, с учетом фазовых переходов воды). При решении подобных задач в двумерной постановке возникают трудности с постановкой задачи: заданием граничных условий, выбором расчетной схемы задачи и др.
Для решения вышеизложенных проблем требуется проведение специальных исследований. Таким образом, вопросы экспериментально-теоретического обоснования методов расчета и условий применения ПТФ приобретают важное научное и практическое значение. Актуальность работы определяют целесообразность применения конструкций ПТФ в условиях сезонно промерзающих грунтов для нужд малоэтажного строительства с одной стороны и неприменимость существующих до настоящего времени методик расчета теплоизоляции фундаментов, дорог, и др. заглубленных в грунт конструкций для расчета параметров теплоизоляции ПТФ.
Цель работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании методики расчета теплоизолированных фундаментов в условиях сезонно промерзающих грунтов для малоэтажного строительства.
Достоверность и методы исследования. Достоверность исследования обеспечена корректной постановкой задач, широкой проверкой и наблюдениями за состоянием выполненных фундаментов, и подтверждается соответствием численного моделирования процессов промерзания-оттаивания грунта в основании ПТФ и результатами экспериментов.
При проведении экспериментальных исследований использованы современные средства измерений, прошедшие метрологическую проверку. В основу теоретических решений положена современная и общепризнанная модель, разработанная в теплофизике, описывающая нелинейную работу грунта.
Сочетание экспериментального и теоретического подходов позволило сохранить внутреннее единство исследования: теоретические решения задач, являющиеся «организующим началом» работы, подвергались более «тонкой» проверке в полевых опытах.
Научную новизну представляют следующие элементы работы: 1. Постановка и способы решения задач по промерзанию-оттаиванию грунта в основании теплоизолированных фундаментов с применением компьютерных программ на основе метода конечных элементов; 2. Экспериментально-теоретическое обоснование метода расчета теплоизолированных фундаментов; 3. Результаты теоретического анализа процессов промерзания-оттаивания грунтов в основании теплоизолированных фундаментов. Практическое значение работы заключается в разработке принципов проектирования и расчета, конструктивных решений, инженерной методики расчета, а также технологических приемов при устройстве ПТФ.
Практическая реализация обеспечена разработкой территориальных строительных норм ТСН 50-302-02 «Проектирование оснований и фундаментов строящихся и реконструируемых зданий и сооружений в г. Ханты-Мансийске», в которые вошли основные результаты диссертационной работы, регламентирующие этапы проектирования и строительства ПТФ для малоэтажных домов.
Кроме того, при участии автора конструкции ПТФ уже нашли применение на ряде объектов строительства. Наиболее сложными и интересными, по мнению автора, следует считать: строительство комплекса жилых деревянных домов на ПТФ (Санкт-Петербург 2000, г.); строительство на ПТФ 3-4 этажного гаража для автомашин личного пользования с паркингом (Екатеринбург, 2001 г.); реконструкция 2-х этажного общественного здания, получившего повреждения в результате промерзания грунтов, проведено утепление фундаментов с использованием принципов ПТФ (Екатеринбург, 2002 г.); строительство 2-х этажной котельной с применением ПТФ (пос. Шабры, Екатеринбург, 2003г.); технические решения ПТФ реализованы на ряде объектов на стадии проектирования, как альтернатива другим техническим решениям на основе технико-экономической оценки различных вариантов.
Апробация работы. За период работы автор неоднократно представлял отдельные разделы диссертации для обсуждения на многих представительных научных конференциях и семинарах, в том числе - международных. Наиболее представительные научные конференции следующие: Международная научно-техническая конференция «Строительство и реконструкция деревянных жилых домов».- Архангельск, 2002; 15-я Европейская конференция молодых инженеров геотехников «Наука и практика».- Дублин, 2002; Международная научно-практическая конференция «Усиление оснований и фундаментов ава рийных зданий и сооружений».- Пенза, 2002; Научно-техническая конференция «Малоэтажное строительство» в рамках 6-ой международной выставки «Уральская строительная неделя».- Екатеринбург, 2003; Ежегодные научные семинары, проводимые ЗАО УралТИСИЗ-Екатеринбург, 2002-2003; совещание в Министерстве строительства и архитектуры Свердловской области (2002 г.), специально посвященное теплоизолированным фундаментам. Личный вклад в решение проблемы. Личный вклад соискателя состоит в выполнении натурных экспериментов по изучению температурных полей в основании ПТФ на двух экспериментальных площадках в Екатеринбурге, разработке программы численного эксперимента, разработке расчетной схемы для решения задач промерзания-оттаивания грунта в основании фундаментов с использованием ЭВМ, а также в разработке методики инженерного расчета теплоизолированных фундаментов. Лично соискателю принадлежат способы разрешения обсуждаемых в работе задач и представленные в диссертации результаты научных исследований.
Автор выражает глубокую благодарность д. т. н., профессору В.В. Луш-никову и к. т. н., ст. научн. сотр. Ю.Р. Оржеховскому за постоянную помощь в разрешении вопросов, возникающих в процессе исследования.
Автор также выражает признательность коллективу кафедры строительного производства и экспертизы недвижимости Уральского государственного технического университета - УПИ за ценные замечания и советы при обсуждении результатов данной работы.
На защиту выносятся: 1. Общая постановка и способы решения задач промерзания-оттаивания грунта в основании ПТФ; 2. Результаты численного анализа и экспериментальные исследования температурных полей в основании теплоизолированных фундаментов; 3. Технические и проектные решения фундаментов ПТФ; 4. Конструктивные решения фундаментов ПТФ. Публикации. Материалы исследований опубликованы в 8 печатных работах. Структура работы. Диссертация состоит из общей характеристики работы с обоснованием актуальности, научной новизны, практического значения работы, введения (1 глава), в котором приведен обзор по тематике исследования, четырех глав (2-я...5-я), общих выводов, списка литературы.
Работа содержит 148 с. текста, 95 рисунков, 31 таблицу; список использованной литературы содержит 133 наименования источников.
Методы борьбы с морозным пучением
До последнего времени одним из основных мероприятий при строительстве на пучинистых грунтах являлось заложение фундаментов ниже расчетной глубины сезонного промерзания.
Согласно СНиП [89], глубина заложения фундамента из условия промерзания грунтов назначается в зависимости от вида грунта, состояния, начальной влажности и уровня подземных вод (УПВ) в период промерзания, т.к. промерзание водонасыщенных грунтов сопровождается образованием в них прослойков льда, толщина которых увеличивается по мере миграции воды из слоев, расположенных ниже УПВ, что приводит к возникновению сил пучения по подошве фундамента, которые могут вызвать резкое снижение несущей способности фундаментов и просадки сооружения.
Для предотвращения деформаций пучения рассчитывают нормативную глубину промерзания, зависящую от природно-климатических условий площадки строительства и залегающих грунтов, после чего заглубляют подошву фундамента ниже глубины сезонного промерзания.
Практикой установлено, что если УПВ во время промерзания находится от уровня земли на глубине, равной расчетной глубине промерзания плюс 2 м (что связано с высотой капиллярного поднятия подземных вод), в песках мелких и пылеватых с любой влажностью и в супесях твердой консистенции глубина заложения фундаментов наружных стен и колонн назначается без учета промерзания грунта. В остальных случаях глубина заложения наружных фундаментов назначается не менее расчетной глубины промерзания. Исключение составляют площадки, сложенные суглинками, глинами, а также крупнообломочными грунтами с глинистым заполнителем при показателе текучести глинистого грунта или заполнителя II 0.25. В этих условиях глубину заложения фундаментов назначают не менее 0.5 расчетной глубины промерзания от спланированной отметки земли.
Глубина заложения внутренних фундаментов отапливаемых зданий на значается независимо от глубины промерзания, если во время строительства и эксплуатации возле фундаментов исключено промерзание грунтов. В не отапливаемых зданиях глубина заложения фундаментов для пучинистых грунтов принимается не менее расчетной глубины промерзания. Расчетная глубина сезонного промерзания грунта (согласно действующим нормативам): df=khdfn, (1.1) где fa - коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения; dfn- нормативная глубина сезонного промерзания грунта, м.
Нормативная глубина сезонного промерзания грунта устанавливается по данным многолетних наблюдений (не менее 10 лет) за фактическим промер занием грунтов в районе предполагаемого строительства под открытой, ли шенной снега поверхностью. За d/„ принимают среднюю из ежегодных мак симальных глубин сезонного промерзания. Если таких наблюдений не имеет ся, используют карту СНИП [87] по строительной климатологии и геофизике.
В случае, когда глубина промерзания не превышает 2.5 м, нормативную глу бину промерзания определяют по формуле: dfn=d0-4Mt, (1.2) где do- величина, принимаемая равной, м, для суглинков и глин - 0.23; супесей, песков мелких и пылеватых - 0.28; песков гравелистых, крупных и средней крупности - 0.30; крупнообломочных грунтов - 0.34; М,- безразмерный коэффициент, численно равный средней сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе.
Если грунты с поверхности неоднородны, то do определяется как средневзвешенное значение в пределах глубины промерзания.
Отметим, что нормы не запрещают закладывать подошву фундамента в пучинистых грунтах выше расчетной глубины промерзания. Однако при этом исследованиями и расчетами следует доказать, что деформации грунтов при промерзании и оттаивании не приведут к нарушению эксплуатационной пригодности сооружения. Иными словами, решение об уменьшении глубины заложения фундаментов должно подкрепляться как корректной методикой расчета, так и положительными практическими примерами.
Существует количественная граница, характеризующая допуск на деформации пучения в зависимости от типа конструкций сооружения. При необходимости заложить подошву фундамента выше расчетной глубины промерзания на пучинистых грунтах потребуется уменьшить глубину промерзания до безопасного значения (при котором величина деформаций морозного пучения не превысит допустимого значения). Действующими нормативами не регламентируется мероприятия подобного рода.
При выполнении диссертационной работы предполагается произвести поиск критерия для назначения допускаемой глубины промерзания, а также разработать методику определения допускаемой (безопасной для сооружения) глубины промерзания. Кроме того, предполагается продолжить разработку и совершенствование конструкций фундаментов, позволяющих снижать глубину промерзания грунта.
Ниже приведен обзор по методам борьбы с проявлениями последствий деформаций морозного пучения. Для обеспечения проектных условий прочности, устойчивости и эксплуатационной пригодности зданий на пучинистых грунтах в практике строительства применяют: инженерно-мелиоративные, термохимические и строительно-конструктивные мероприятия.
В настоящее время разработаны различные мероприятия по снижению деформаций грунтов при промерзании и оттаивании [11, 77, 79-80, 83].
Инженерно-мелеоративные мероприятия направлены на осушение грунтов в слое сезонного промерзания и снижение влажности грунтов в основании фундаментов в осенне-зимний период их промерзания.
При проектировании фундаментов на пучинистых грунтах предусматривают надежный отвод подземных, атмосферных и производственных вод с площадки путем своевременной вертикальной планировки застраиваемой территории, устройства ливневой канализационной сети, водоотводных каналов и лотков, дренажа и других гидромелиоративных сооружений сразу же после окончания работ по нулевому циклу, не дожидаясь полного окончания строительных работ. К термохимическим методам относят следующий комплекс мероприятий:
В целях снижения сил выпучивания на период строительства применяют засоление грунта засыпки вокруг фундаментов технической поваренной солью из расчета 25-30 кг на 1 м суглинистого грунта, с послойным перемешиванием и трамбованием;
Для уменьшения величины сил смерзания между грунтом и материалом фундамента на период строительства смазывают выровненные боковые поверхности фундамента непрочно-смерзающимися материалами, например битумной мастикой, от подошвы до планировочной отметки в два слоя: первый -тонкий с тщательной притиркой, второй - толщиной 8-10 мм;
В целях снижения касательных сил морозного пучения грунтов при устройстве малонагруженных свайных фундаментов под оборудование на силь-нопучинистых грунтах применяют покрытие поверхности свай в зоне сезонного промерзания грунтов полимерной пленкой. Экспериментальная проверка в полевых условиях показала эффект снижения касательных сил морозного пучения грунтов от применения полимерных пленок от 2.5 до 8 раз;
Решение задач промерзания/оттаивания грунта в основании фундаментов ПТФ методом конечных элементов
Расчеты подобного уровня (нестационарные и нелинейные тепловые задачи с учетом фазовых переходов) связаны с большими трудностями, поэтому в инженерной практике используются методы, основанные на введении упрощающих предпосылок. Как показывает опыт строительства, в большинстве случаев подобные методы оказываются достаточными для надежного и экономичного проектирования оснований и фундаментов зданий и сооружений. В то же время более полный учет особенностей процессов промерзания-оттаивания грунтов открывает возможности дальнейшего совершенствования проектирования сооружений и исследования процессов промерзания грунтов.
Развитие прикладной математики и вычислительной техники заложило основы для создания численных методов решения краевых задач. Идеи, заложенные в эти методы, в значительной мере исключают необходимость использования упрощающих предпосылок, свойственных традиционным подходам. Пока численные методы используются на практике лишь в отдельных, наиболее сложных и ответственных случаях. Однако круг практических задач, решаемых ими, все более расширяется. Этому способствует интенсивная разработка программного обеспечения.
Для решения тепловых задач была использована программа COSMOS/M и ее модуль HSTAR (Structural Research & Analysis Corp.). Возможности программы - решение нестационарных, нелинейных тепловых задач с учетом фазовых переходов при произвольном задании граничных условий, таких как заданная температура, конвекция, излучение, тепловой поток, источники тепла и др. Программа позволяет решать задачи в одно-, двух- и трехмерной постановке. Программа HSTAR основана на методе конечных элементов (МКЭ), открывает возможность оперировать со сложной геометрией и произвольно задавать граничные условия.
МКЭ является мощным средством решения широкого круга задач, описываемых дифференциальными уравнениями. В течение последних 25 лет МКЭ активно применяется для решения научных задач во многих областях знаний, глубокое развитие получили теория метода, процедура его применения. Положениям метода конечных элементов посвящено большое количество публикаций [82,104-106].
Итак, модуль HSTAR программы COSMOS/M, а также другие аналогичные программы на основе МКЭ, ориентированы на решение нестацио 39 нарных тепловых задач в нелинейной постановке. Такие программы имеют достаточно универсальный характер и позволяют решать множество задач данного класса. Особенности конкретной задачи (конфигурация расчетной области, неоднородность по теплофизическим свойствам, граничные условия и т.п.) отражаются в исходной информации и не требуют изменения алгоритма решения.
Тем не менее, среди перечисленных вопросов (применительно к задачам промерзания грунтов) есть принципиальные вопросы - способ задания краевых условий, конфигурация расчетной области и проч., заслуживающие отдельного рассмотрения и анализа.
Проблема задания краевых условий связана с тем, что объектом исследования является практически неограниченный в размерах грунтовый массив, взаимодействующий с сооружением. В то же время, МКЭ в качестве расчетных рассматривает области, имеющие конечные размеры (так называемая расчетная зона). Это приводит к необходимости ограничивать размеры расчетного участка массива (расчетной зоны), но таким образом, чтобы влияние искусственно введенных границ не приводило к значительному искажению результатов решения. При этом определенная часть этих границ имитирует условия на бесконечности. Вопрос определения глубины расчетной зоны рассмотрен ниже, в п. 2.3.1.
Для отработки общих постановочных вопросов рассматривалась задача промерзания оголенной от снега и растительности поверхности (расчетная схема «бесснежная поляна») в одномерной постановке. По такой схеме определялась глубина промерзания, динамика температур и проч. для массива грунта в естественных условиях залегания. На рисунке 2.3 приведена расчетная схема для таких условий, с краевыми условиями, входящими в постановку задачи.
Рисунок 2.3 - Расчетная схема «бесснежная поляна» (краевые условия, входящие в постановку задачи) Кроме того, применялись расчетные схемы, учитывающие утеплитель и его вылет (рисунок 2.2), а также глубину заложения фундамента и теплоизолированную засыпку (рисунок 2.3), при решении задач в двумерной постановке.
Расчетная схема для фундамента ПТФ. Учет глубины заложения и вылета утеплителя, а также теплоизолирующей засыпки Ниже подробно рассмотрены значения и специфика задания исходных данных, используемых при компьютерном расчете тепловых задач. Теплофизические характеристики грунтов
При задании исходных данных в программу теплотехнического расчета, прежде всего, необходимо ввести теплофизические характеристики грунтов. Так как учитывается нелинейная работа грунтов, требуются специальные приемы для задания исходных значений в компьютерную программу.
Размерности основных тешюфизических величин, входящих в расчет, и примерный диапазон их изменения представлен в таблице 2.1. Как видно из таблицы, минимальное значение коэффициента теплопроводности для грунта составляет Я = 0.87 Вт/м С, максимальное X = 2.94 Вт/м С, а среднее значение для глин и суглинков Я = 1.57-1.6 Вт/м С (в мерзлом состоянии). В дальнейшем, при определении расчетных зависимостей и построении графиков влияния факторов использованы именно такие характерные значения Л. Конкретные значения тешюфизических величин для грунтов взяты по таблице 3 [94].
Нелинейность тешюфизических свойств грунтов вызвана различием значений характеристик для талого и мерзлого состояний грунта. Другими словами, свойства фунтов зависят от их фазового состояния и как следствие - от температуры. Переход из мерзлого состояния в талое (и наоборот) не происходит мгновенно. Диапазон температур, в пределах которого происходят такие переходы, находится в пределах от О С до -3 С (для глин и суглинков в среднем от О С до -2 С, а для песков от О С до 0.2-0.5 С). Таким образом, при вводе исходных данных в программу расчета конкретные значения характеристик для талого и мерзлого состояния грунта трансформированы в непрерывные зависимости свойств грунта от температуры. Это связано с тем, что при задании исходных данных программа расчета требует ввода непрерывных зависимостей, не воспринимая резких скачков и разрывов при задании функций.
Например, для суглинка, с теплопроводностью Я = 1.57/1.45 (мерзлый/талый грунт), зависимость теплопроводности от температуры будет реализована следующим образом: на интервале температур от -3 С до О С задается линейная зависимость теплопроводности грунта от температуры; при температуре 0 С задается постоянное значение для талого грунта, а при температуре -3 С задается постоянное значение для мерзлого грунта. Общий вид графика показан на рисунке 2.4.
Температура воздуха, холодная пятидневка
Как отмечалось выше (п. 2.1.3), значение коэффициента теплопередачи а влияет на величину теплового потока за счет конвекции. Поэтому, прежде всего, были проведены расчеты по оценке влияния этого фактора на глубину промерзания.
Для примера приведем расчет влияния величины коэффициента а на глубину промерзания суглинка в условиях Екатеринбурга: при а = 8.7 (неподвижный воздух), промерзание составило 1.25 м; при а = 25 (максимальное значение)- 1.95 м.
Как видно из расчета, при использовании высокого значения а получается глубина промерзания, равную нормативной глубине, найденной по формуле пособия к СНиП [89]. Поэтому в последующих расчетах использовано высокое значение коэффициента а = 25.
Для оптимизации расчета проведено исследование по оценке влияния температуры наружного воздуха на глубину промерзания. На основании расчетов (изменялись температурные условия на поверхности, и производился поиск обобщающего фактора) выявлено, что обобщенным интегральным параметром температурного режима для конкретной местности может служить сумма отрицательных градусо-суток за год. Сумма положительных градусо-суток также является важным параметром, отвечающим за распределение температур в грунте и начальные температуры, а также за общее теплосодержание поверхностных слоев грунта (очевидно, что сумма отрицательных и сумма положительных градусо-суток взаимосвязаны).
Например, для Москвы сумма отрицательных градусо-суток составляет -990, для Екатеринбурга -1685, для Братска -2365 (большие значения этого параметра, как правило, соответствуют зоне вечномерзлых грунтов).
Отметим, что средняя температура воздуха входит в правую часть уравнения теплового баланса (формула 2.10); на основании количественной оценки можно сказать, что этот фактор является значимым. В дальнейшем он был использован в инженерной методике расчета теплоизолированных фундаментов.
Кроме того, выполнены расчеты по оценке температурных флуктуации (резких изменений, скачков) и определена степень их влияния на глубину промерзания. Для этого при постоянной сумме градусо-суток (например, для Екатеринбурга) изменялся график температуры наружного воздуха. Один из подобных расчетов приводится ниже (рисунок 3.1) - учет так называемой холодной пятидневки.
В расчете задавалась максимальная теплопроводность грунта (ситуация, когда влияние температуры воздуха на глубину промерзания максимально). Для «бесснежной поляны» в условиях Екатеринбурга промерзание для базового варианта (без флуктуации) составило 2700 мм, при проверке на холодную пятидневку (скачки температуры до -35 С, см. рисунок 3.1) промерзание составило 2900 мм, что больше на 200 мм (или на 7%) базового варианта.
При аналогичных исходных данных с утеплителем на поверхности (толщиной 6-2 см) промерзание для базового варианта составило 1400 мм, для варианта со скачками температуры промерзание составило 1500 мм (больше на 100 мм, или на 7%). Аналогичные результату были получены для других значений сумм отрицательных градусо-суток.
Вывод: изменение температур воздуха при постоянной сумме отрицательных градусо-суток оказывает влияние на глубину промерзания в преде лах 7 %, при этом наличие утеплителя не оказывает воздействия на степень влияния таких флуктуации.
В этом разделе проведены расчеты по оценке влияния таких факторов как теплопроводность и теплоемкость массива грунта. По каждому фактору проведено несколько уровней сравнения (согласно таблицам 3.1 и 3.3): 1) линейная теплопроводность (теплопроводность мерзлого грунта равна теплопроводности талого грунта); 2) промежуточный вариант, суглинок с реальными показателями теплопроводности (нелинейная постановка); 3) максимальная разница между значениями для талого и мерзлого грунта, в пределах реального изменения характеристик (нелинейная постановка); 4) линейное распределение, теплоемкость постоянная, без учета фазовых переходов; 5) средний вариант, суглинок с реальными значениями (нелинейная постановка, учет фазовых переходов); 6) Большой скачек в теплоемкости (высокая влажность), учет фазовых переходов.
Геологические и гидрогеологические условия площадок
Алгоритм расчета эффективной глубины промерзания п следующий: — определение максимальной зоны промерзания, т.е. наибольшей глубины, существующей в данный момент времени пластично-мерзлой зоны грунта, по результатам тепловых расчетов, характеризующейся наибольшим значением grad th; — оценка температурного градиента grad th в этой зоне по формуле 3.3; — определение коэффициента кр для зоны промерзания по формуле 3.5; — определение heff по формуле 3.4.
Приведем пример, иллюстрирующий расчет эффективной глубины промерзания для конкретной ситуации (показанной на рисунке 3.23) в условиях Екатеринбурга, для теплоизолированного фундамента с глубиной заложения 1 м, толщиной утеплителя под подошвой 50 мм, при влажности грунта 30 %.
Определяем максимальную зону промерзания Zh = 45 см, которой соответствует минимальная температура под подошвой фундамента —1.16 С (по результатам компьютерного расчета тепловой задачи), а также глубину проникновения нулевой изотермы, равную 95 см.
Вычисляем grad th = -1.16 град. / 45 см = 0.026 град/см, по формуле 3.3. Далее определяем значение коэффициента кр, кр = (0.026 град/см) / (0.1 град/см) = 0.26, по формуле 3.5. После чего определяем heff= 95 см х 0.26 = 25 см, по формуле 3.4. Таким образом, в приведенном расчете эффективная глубина промерзания 1.25 м, слой промерзшего грунта под подошвой фундамента 25 см.
Далее определяем безопасную глубину промерзания для данных грунтовых условий (по методике, разработанной в 5 главе) и сравниваем ее с эффективной глубиной промерзания, полученной по результатам теплотехнического расчета, после чего делаем вывод о достаточности предложенных параметров утепления, таких как толщина утеплителя под подошвой фундамента, вылет утеплителя и проч.
Предположим, что для приведенного выше примера эффективная глубина промерзания ниже подошвы фундамента равная 25 см является допустимой (с точки зрения степени пучинистости грунта и возможных деформаций морозного пучения). При этом объем плитного утеплителя на 1 м длины фундамента составляет 0.04 м3.
Для сравнения, при тех же исходных данных (см. рисунок 3.23), произведем повторный расчет параметров теплоизоляции, но уже без учета реальной интенсивности пучения, т.е. не используя понятия эффективной глубины промерзания, установив такое количество утеплителя, чтобы глубина проникновения нулевой изотермы ниже подошвы составила также 25 см.
Получены следующие результаты: для достижения описанных выше условий, потребовалось установка 10 см утеплителя под подошву фундамента, при вылете утеплителя за край фундамента 800 мм. При этом расход утеплителя на 1 м длины фундамента составил 0.14 м3, что в 3.5 раза превышает количество утеплителя (вычисленное с учетом фактической интенсивности пучения, т.е. при учете эффективной глубины промерзания), реально необходимое для безопасной работы фундамента.
Таким образом, для оптимального подбора параметров утепления фундаментов необходимо использовать эффективную глубину промерзания, тем самым, учитывая реальную интенсивность пучения в зоне промерзания, получая при этом наиболее точное решение.
В разделе приведены результаты анализа по оптимизации формы обратной засыпки. Рассмотрены различные формы обратных засыпок, при различных теплофизических свойствах материала обратной засыпки. Кроме того, произведен поиск эквивалентных ситуаций, т.е. таких, когда форма и теплофизика засыпок различны, а температурное поле ниже подошвы фундамента одинаково.
По результатам исследования даются рекомендации по выбору формы обратной засыпки в зависимости от ее теплофизических свойств. Найден интегральный параметр, характеризующий теплофизические свойства обратной засыпки.
В качестве примера, иллюстрирующего основные результаты анализа, приведем результаты расчетов по влиянию формы утепляющей засыпки на температурное поле под подошвой фундамента, представленные на рисунках 3.27 и 3.28. За базовый вариант приняты следующие исходные данные: для условий Екатеринбурга, при Af= 1.57 грунт, Л =0.129 керамзитового гравия, Л = 0.03 утеплителя. На рисунках 3.27 и 3.28 показан размер зоны Zh, минимальная температура под подошвой ТПОдош. и соответствующая ей зона х\ъ а также максимальная глубина проникновения нулевой температуры и соответствующее ей температурное поле под подошвой фундамента ПТФ.
Кроме того, выполнены расчеты, в которых засыпка имела треугольную форму, а также рассмотрены варианты с горизонтальным утеплением цокольной части пенополистиролом, варианты 1 - 16 на рисунках 3.29 и 3.30.
В представленных на рисунках 3.29 и 3.30 расчетах, кроме формы утепляющей засыпки изменялись ее теплофизические свойства (X = 0.1 для варианта А, X = 0.2 для варианта В, X = 0.3 для варианта С). Исходные данные аналогичны расчету, показанному на рисунке 3.27 и 3.28. Результаты расчетов представлены в сводных таблицах 3.9 и 3.10, в форме: шіп ТПОДош., Zh и глубины проникновения «0» изотермы ниже подошвы фундамента.
