Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ПРОГНОЗНЫЙ РАСЧЕТ ПРИТОЧНО-ОХЛАЖДАЕМЫХ СВАЙ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Окороков Н.С. 1 Коркишко А.Н. 2
1 ООО НПО «ФундаментСтройАркос»
2 ФГБОУ «Тюменский индустриальный университет»
В данной статье представлен прогнозный расчет приточно-охлаждаемых свай в программном комплексе FROST 3D UNIVERSAL. В строительстве существует большой класс задач, когда необходимо рассчитать температурный режим вечномерзлых грунтов оснований для сооружений и зданий, расположенных в области влияния многих зон с различными теплофизическими и грунтовыми условиями. Прогнозный расчет температур грунтов выполнен для прожекторной мачты с инженерно-геологическими условиями Тагульского месторождения. В данной статье описаны типы грунтов, исходные характеристики грунтовых условий, температуры грунтов, как задается расчетная область, принимаемые граничные условия, обозначены ключевые понятия, такие как «термоопоры» и «охлаждаемые сваи». Произведен анализ полученных данных после решения теплофизической задачи программным комплексом. Анализ результатов расчета показал, что несущая способность свай на сжимающие и выдергивающие нагрузки с учетом температурного коэффициента обеспечивается, а мерзлое состояние грунтов сохраняется. В последующие расчетные периоды температура грунта продолжает понижаться, обеспечивая мерзлое состояние грунтов и несущую способность свай на весь период эксплуатации прожекторной мачты. В статье приведены графические рисунки, в которых показано изменение температур с помощью изолиний.
вечная мерзлота
криолитозона
методы термостабилизации грунтов
охлаждаемая свая
приточно-охлаждаемые сваи
прогнозные расчеты
теплотехнический расчет
1. Пассек В.В., Петров В.И. Термоопоры – эффективный и перспективный вид конструкций на вечной мерзлоте: монография. М.: ЦНИИС, 2009. 104 с.
2. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Ленинград: Стройиздат Ленинградское отделение, 1977. 551 с.
3. Набоков А.В., Огороднова Ю.В., Крижанивская Т.В., Коркишко О.А., Применение различных видов систем температурной стабилизации на объектах нефтегазовой отрасли // Инженерный вестник Дона: электронный научный журнал. 2017 № 2 [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_116_Nikishin_N.pdf_e95a7d7f58.pdf (дата обращения: 15.08.2018).
4. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах / НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеваерва Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1980. 303 с.
5. Емельянова Т.Я. Практикум по мёрзлотоведению. Томск: Изд-во Том. политех. унт-та, 2010. 120 с.
6. Крылов Д.А., Мельникова Ю.С. Математическое моделирование распределения температурных полей в криолитозоне. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. С. 94–97.
7. СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах // Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2012. 102 с.

Охлаждаемые сваи – это вид термоопор, который является одним из вариантов стабилизации температурного режима грунтов оснований, которая происходит из-за переноса температуры наружного воздуха в грунт. Термоопоры – это вид фундаментов (самоохлаждающихся воздушных опорных систем), позволяющий самостоятельно, без дополнительных охлаждающих мероприятий поддерживать температурный режим окружающих вечномерзлых грунтов, применяемый как способ глубинного охлаждения и погружаемый в мерзлый грунт на 15 м и более. Неоспоримым преимуществом является их долговечность и устойчивость к суровым условиям, а также то, что она может являться термоскважиной для измерения температуры грунтов [1].

Предварительное охлаждение мерзлых оснований рекомендуется в районах со среднегодовой температурой наружного воздуха ниже –4 °С. Предварительное охлаждение оснований позволяет сократить время вмерзания свай и сроки передачи проектных нагрузок.. За счёт перевода пластично-мёрзлых грунтов в твёрдо-мёрзлое состояние и понижения температур грунтов может быть достигнуто сокращение общего числа свай и их длины [2, 3].

Цель исследования: посредством прогнозных расчетов грунтов и оснований самоохлождаемых термоопор в программном комплексе FROST 3D UNIVERSAL показать эффективность термосвай, а также возможные варианты оптимизации систем термостабилизации грунтов и оснований в условиях вечной мерзлоты.

Материалы и методы исследования

Методы исследования:

1. Моделирование условий для прогнозного расчёта с учётом имеющихся температур и конструкции сваи.

2. Анализ полученных данных о температурах с учетом временного промежутка.

3. Теоретический анализ и обобщение научной литературы по данной теме.

Прогноз был выполнен в расчетном комплексе FROST 3D Universal. Условием прогнозного расчета является то, что в летний период теплообмен между средой и грунтом прекращается и задан нулевым. Данные сваи были помещены в условия мерзлых грунтов [4, 5].

Инженерно-геологические условия, принятые для прогнозного расчета, получены в ходе инженерно-геологических изысканий, температуры грунта получены с помощью применения термоизмерительной гирлянды или термокосы [6]. В разрезе по скважине 77УКПГ выделены следующие инженерно-геологические элементы (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика грунтов

Наименование показателя

Индекс

Ед. измер.

ИГЭ-6г

Суглинок

ИГЭ-6м

Суглинок

ИГЭ-10д Песок

пылеватый

Суммарная влажность

Wtot

д.ед.

0,642

0,632

0,262

Влажность между ледяных включений

Wm

д.ед.

0,213

0,227

0,256

Плотность грунта в сухом состоянии

ρd

г/см3

0,967

1,015

1,47

Степень засоленности

Dsal

%

0,030

0,030

0,020

Концентрация порового раствора

Сps

д.ед.

0,0014

0,0013

0,0008

Температура начала замерзания

Tbf

°С

–0,27

–0,27

–0,19

Льдистость за счет ледяных включений, т.е. линз и прослоек

ii

д.ед.

0,477

0,467

0,03

Суммарная льдистость

itot

д.ед.

0,552

0,550

0,430

Примечание. ИГЭ-6г – Суглинок льдистый, ii = 0,477; ИГЭ-6м – Суглинок льдистый, ii = 0,467; ИГЭ-10д – Песок пылеватый, льдистый, itot = 0,430.

Таблица 2

Температура грунта по скважине 77УКПГ

Глубина замера температуры, м

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

Температура грунта на 05.03.2015, °С

–18,7

–4,4

–1,4

–0,7

–0,7

–0,9

–0,7

–0,6

Температура грунта на 05.03.2015, °С

–0,8

–1,1

–1,2

–1

–1,2

–1,2

–1,2

–1,3

Температура грунта принята по скважине 77УКПГ на 5 марта 2015 г. (табл. 2).

Результаты исследования и их обсуждение

Расчетная область

Прогноз температурного режима грунтов основания выполнен для прожекторной мачты с молниеотводом на площадке УКПГ при условии установки термосвай. Для выполнения прогнозного расчета выбрана расчетная область размерами 30,0*30,0*30,0 м (по осям x, y, z соответственно).

На верхней границе расчетной области задавались граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова (в зоне расположения мачты учтено повышенное снегонакопление). На нижней границе расчетной области принята постоянная температура грунта, равная минус 1,3 °С, согласно термометрии по скважине 77УКПГ. На боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.

В расчете принята укладка насыпи после промерзания сезонно оттаявшего слоя грунта на 0,2 м [7, п. 6.5.4].

Величина насыпного грунта, принятая в расчете, равна 5,9 м.

Для понижения температур грунтов основания и обеспечения несущей способности свай на весь период эксплуатации прожекторной мачты предусматривается установка охлаждаемых свай.

В прогнозном расчете учтено локальное тепловое влияние от свай при погружении.

Результаты расчёта

Результаты прогнозного расчета представлены в графической форме – на конец зимнего и летних периодов (рис. 1–3) и в табличной форме (табл. 3).

Таблица 3

Результаты расчетов

Глубина замера температуры грунтов от отметки поверхности земли (42,50 м)

Температура грунта на начало расчета (15 октября), °С

Температура грунта по свае № 1 на

конец летних периодов (1 октября), °С

Первый год

Второй год

Третий год

1,00

0,95

2,33

2,13

2,05

2,00

0,89

0,72

0,40

0,28

3,00

–0,84

–0,23

–0,39

–0,49

4,00

0,78

–0,31

–0,55

–0,74

5,00

0,73

–0,46

–0,82

–1,05

6,00

–0,03

–0,85

–1,31

–1,56

7,00

–0,42

–1,35

–1,78

–2,01

8,00

–1,21

–1,60

–1,90

–2,07

9,00

–0,73

–1,51

–1,72

–1,85

10,00

–0,74

–1,43

–1,60

–1,70

11,00

–0,85

–1,38

–1,53

–1,61

12,00

–0,70

–1,35

–1,50

–1,56

13,00

–0,62

–1,33

–1,47

–1,53

14,00

–0,85

–1,31

–1,44

–1,49

15,00

–1,09

–1,28

–1,41

–1,46

16,00

–1,16

–1,26

–1,38

–1,42

17,00

–1,05

–1,24

–1,34

–1,39

18,00

–1,18

–1,22

–1,31

–1,35

19,00

–1,20

–1,21

–1,28

–1,32

20,00

–1,20

–1,20

–1,26

–1,29

Температура грунта под концом сваи, (Тz), °С

–1,14

–1,26

–1,37

–1,42

Эквивалентная температура по длине смерзания сваи, (Те), °С

–0,82

–1,35

–1,56

–1,67

Длина смерзания

сваи (без учета насыпного грунта), м

9,80

10,30

Примечание. Расчетный период – три года.

На весь период эксплуатации несущая способность свай на сжатие, с учетом температурного коэффициента γt, и на действие выдергивающих нагрузок совместно с касательными силами морозного пучения не обеспечивается, вследствие чего в прогнозе учтена работа термосвай.

Согласно результатам прогнозного расчета, после первого зимнего периода работы термосвай температура грунтов основания в зоне расположения мачты понижается (рис. 1) и сохраняется к концу второго лета (рис. 2). В последующие расчетные периоды наблюдается дальнейшее понижение эквивалентных температур грунта по длине смерзания свай, что свидетельствует о сохранении мерзлого состояния грунтов на весь период эксплуатации мачты.

ok1.tif

Рис. 1. Температура грунта на конец первой зимы

ok2.tif

Рис. 2. Температура грунта на конец второго лета

ok3.tif

Рис. 3. Температура грунта на конец третьего лета

Выводы

Несущая способность свай прожекторной мачты с молниеотводом на сжатие, с учетом температурного коэффициента γt, и на действие выдергивающих нагрузок совместно с касательными силами морозного пучения не обеспечивается на весь период эксплуатации. Для понижения температур грунтов основания прожекторной мачты и обеспечения несущей способности свай на весь период эксплуатации в прогнозе учтена работа охлаждаемых свай.

Согласно результатам прогнозного расчета после первого цикла работы термосваи, температуры грунтов основания понижаются, мерзлое состояние грунтов сохраняется на конец первого летнего периода. Несущая способность свай на сжатие и на выдергивающую нагрузку совместно с касательными силами морозного пучения обеспечивается.

В последующие расчетные периоды температура грунта продолжает понижаться, обеспечивая мерзлое состояние грунтов и несущую способность свай на весь период эксплуатации прожекторной мачты.


Библиографическая ссылка

Окороков Н.С., Коркишко А.Н. ПРОГНОЗНЫЙ РАСЧЕТ ПРИТОЧНО-ОХЛАЖДАЕМЫХ СВАЙ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 9. – С. 14-18;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=12380 (дата обращения: 28.02.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074