Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 9 августа, печатный экземпляр отправим 13 августа
Опубликовать статью

Молодой учёный

Сравнительный анализ температур по результатам численного расчета в программе Frost 3D и данным мониторинга для сооружения на многолетнемерзлых грунтах

Технические науки
20.05.2022
427
Поделиться
Библиографическое описание
Мугинова, Д. В. Сравнительный анализ температур по результатам численного расчета в программе Frost 3D и данным мониторинга для сооружения на многолетнемерзлых грунтах / Д. В. Мугинова, А. Е. Маслов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 20 (415). — С. 29-40. — URL: https://moluch.ru/archive/415/91780/.


Геотехнический мониторинг сооружений на многолетнемерзлых грунтах включает в себя измерения температур грунта и осадок фундаментов. Анализ данных мониторинга обычно проводят с целью прогноза осадок фундаментов на срок службы сооружения. Так как осадка фундамента является следствием повышения температуры грунтов основания в процессе эксплуатации сооружения, то логично начинать с температурного анализа.

В статье рассматривается температурная задача сооружения на естественном основании с возможностью оттаивания в процессе эксплуатации и сравнение ее результатов с данными мониторинга.

Целью работы является сопоставление результатов на основе трех термометрических скважин. Необходимо проанализировать данные мониторинга, выделить характерные участки графика изменения температуры в процессе строительства и эксплуатации сооружения. Обосновать влияния заданной температуры внутри корпуса на растепление грунтов в основании фундаментов за короткий период. Сравнить температуру в основании по данным мониторинга и по результатам численного расчета.

Ключевые слова : геотехнический мониторинг, многолетнемерзлые грунты, Frost 3D.

  1. Исходные данные

Рассматриваемый объект располагается в зоне многолетнемерзлых грунтов, построенный по II-ому принципу [3] (с возможностью оттаивания грунтов основания в процессе эксплуатации). Фундаментные столбчатые на естественном основании.

Основанием фундаментов является галечниковый грунт мерзлый, слабольдистый, корковой криотекстуры, с супесчаным заполнителем до 30 %, незасоленный. Нормативная глубина сезонного оттаивания 3,44 м.

Сооружение представляет собой производственный корпус с габаритами в плане 104x92 м (см. рис. 1). Планируемая температура внутри рассматриваемых помещений корпуса +18℃ [5].

Для рассмотрения были выбраны три термометрические скважины, расположенные в разных частях корпуса: ТТ-9, ТТ-16, ТТ-19.

Схема расположения рассматриваемых термометрических скважин

Рис. 1. Схема расположения рассматриваемых термометрических скважин

Деталь установки термометрической скважины представлена на рис. 2.

Деталь установки термометрической трубки (ТТ)

Рис. 2. Деталь установки термометрической трубки (ТТ)

На рис. 3 представлен разрез по фундаментам с расположением утеплителя.

Разрез по фундаментам

Рис. 3. Разрез по фундаментам

Общий вид расчетной модели представлен на рис. 4.

Общий вид расчетной модели

Рис. 4. Общий вид расчетной модели

Данные по температуре воздуха до начала строительства приведены в таблице 1.

Таблица 1

Распределение температуры воздуха по месяцам, ℃

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

Ноябрь

Декабрь

-35

-43

-26

-13

0

+8

+13

+10

-3

-25

-20

-29

Теплотехнические показатели применяемых материалов:

Бетон:

Объемная теплоемкость —

Теплопроводность —

Удельный вес — .

Пеноплекс:

Объемная теплоемкость —

Теплопроводность —

Удельный вес — .

Галечниковый грунт основания:

Объемная теплоемкость грунта в талом состоянии– ;

Объемная теплоемкость грунта в мерзлом состоянии– ;

Теплопроводность грунта в талом состоянии —

Теплопроводность грунта в мерзлом состоянии —

Количество незамерзшей воды — 0,112

Температура фазового перехода — «минус»0,11

Удельный вес — .

Песок (обратная засыпка):

Объемная теплоемкость грунта в талом состоянии– ;

Объемная теплоемкость грунта в мерзлом состоянии– ;

Теплопроводность грунта в талом состоянии —

Теплопроводность грунта в мерзлом состоянии —

Количество незамерзшей воды — 0,21

Температура фазового перехода — «минус»0,32

Удельный вес — .

  1. Анализ данных мониторинга

На рис. 5 представлена картина распределения температуры по месяцам с начала установки термометрических скважин. Точные значения температур ежемесячно по глубине с шагом 1 м занесены в таблицу 2.

На графике условно можно выделить три зоны:

  1. Этап возведения сооружения. Температура на верхних датчиках термокосы сопоставимы с наружной температурой воздуха соответствующего месяца. Температура в нижних точках термокосы достаточно низкая, изменения в пределах 0,5℃.
  2. Этап внутренних работ в закрытом корпусе. Идет небольшое растепление грунта. Температура грунта в нижних точках повышается несмотря понижение температуры воздуха. Более выраженно проявляется участок укладки утеплителя (отметка -3,55 м) со значительным изменением температуры по высоте.
  3. Этап запуска производственных процессов внутри корпуса. Температура грунта на отметках от -4,0 м до -6,0 сильно отличается от предыдущего месяца, что свидетельствует о влиянии высоких температур внутри корпуса.

Исходя из вышеприведенного для дальнейшего анализа целесообразно рассматривать третий участок, когда параметр граничных условий (температура внутри корпуса) имеет постоянный характер.


Таблица 2

Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно.

Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга (Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно) Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга (Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно) Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга (Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно) Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга (Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно) Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга (Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно) Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга (Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно) Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга (Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно)

Рис.5. Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга (Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно)


Расчетное обоснование влияния температуры внутри корпуса на растепление грунтов в основании фундаментов в течении 4-х месяцев

Для анализа был выбран период с момента запуска производственных процессов (с октября 02 г.). Температура грунтов принята по результатам измерения термометрических скважин [4] от октября 2 года мониторинга. Максимальная температура по технологическому заданию внутри рассматриваемых помещений корпуса +18℃ [5].

Виду отсутствия данных о температуре внутри корпуса был произведен ряд расчетов при температуре от +10℃ до +18℃. Результаты расчета в ноябре 02 г. приведены в таблице 3, в январе 03 г. — в таблице 4.

Сравнительные графики распределения температур по данным мониторинга и результатам расчета в программе Frost 3D представлены на рис. 6 и 7.

Таблица 3

Примечание: В графе ∆T «-» означает, что температура по данными мониторинга выше, чем при численном расчете.

График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 в ноябре 02 г.

Рис. 6. График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 в ноябре 02 г.

Таблица 4

Примечание: В графе ∆T «-» означает, что температура по данными мониторинга выше, чем при численном расчете.

График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 в январе 03 г.

Рис. 7. График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 в январе 03 г.

Сводные графики распределения температур по данным мониторинга и результатам расчета в программе Frost 3D представлены на рис. 8 и 9.

Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга

Рис. 8. Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по данным мониторинга

Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по результатам расчета Frost 3D при расчетной температуре внутри корпуса +15℃

Рис. 9. Сводный график распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-16 по результатам расчета Frost 3D при расчетной температуре внутри корпуса +15℃

Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно.

Вывод к главе 3 :

  1. Как видно из графиков, температура внутри корпуса не влияет на температуру в основании фундаментов при расчете в течении 4-х месяцев. При любой температуре от +10℃ до +18℃ температура в основании (примерная отметка -4,0 м) для каждого месяца получилась одинаковой: в ноябре — «минус» 0,44℃, в декабре — «минус» 0,57℃, в январе — «минус» 0,66℃. Следовательно, для дальнейшего анализа принимаем среднюю фиксированную температуру внутри корпуса +15℃.
  2. Согласно рис. 8 и рис. 9, картина распределения температуры в зоне расположения утеплителя (отметка -3,55 м) имеет одинаковый вид для графиков мониторинга и расчета, что свидетельствует о корректности задания высотных отметок.

4 Сравнение температур грунта по данным мониторинга с результатами расчета в программе Frost 3D

Сравнение температур производилось по термометрическим скважинам ТТ-9, ТТ-16 (см. главу 3), ТТ-19 при температуре внутри корпуса +15℃.

Начальная температура грунтов для расчета принята по результатам измерения термометрических скважин от октября 02 г.

Таблица 5

Примечание: В графе ∆T «-» означает, что температура по данными мониторинга выше чем при численном расчете.

График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-9 в ноябре 02 г.

Рис. 10. График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-9 в ноябре 02 г.

Таблица 6

Примечание: В графе ∆T «-» означает, что температура по данными мониторинга выше чем при численном расчете

График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-9 в январе 03 г.

Рис. 11. График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-9 в январе 03 г.

Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно.

ТТ-19

Начальная температура грунтов для расчета принята по результатам измерения термометрических скважин от октября 02 г.

Таблица 7

Примечание: В графе ∆T «-» означает, что температура по данными мониторинга выше чем при численном расчете.

График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-19 в ноябре 02 г.

Рис. 12. График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-19 в ноябре 02 г.

Таблица 8

Примечание: В графе ∆T «-» означает, что температура по данными мониторинга выше чем при численном расчете.

График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-19 в январе 03 г.

Рис. 13. График распределения температуры грунта по глубине скважины ТТ-19 в январе 03 г.

Примечание: Числа 01, 02, 03 после названия месяца означают первый, второй и третий год мониторинга соответственно.

Вывод к главе 4 : Максимальное расхождение температур на глубине от 4 м для скважины ТТ-9 не превышает 0,33℃, для ТТ-16–0,91℃, для ТТ-19–1,38℃. Хорошая сходимость результатов обусловлена вводом в расчет значений температур мониторинга в качестве исходных данных и непродолжительным периодом рассмотрения.

Заключение

В статье рассмотрена температурная задача сооружения на естественном основании с возможностью оттаивания грунтов в процессе эксплуатации. Произведено сравнение температур грунтов на одинаковых отметках по данным мониторинга и в результате расчета в программе Frost 3D.

Графический анализ данных мониторинга является более наглядным, что позволяет выделить характерные участки: этапы возведения сооружения, внутренних работ и запуск производственных процессов.

Ввиду отсутствия измеренной температуры внутри корпуса предложен подход к заданию граничного условия. Серия расчетов при различной температуре внутри корпуса показала, что заданная температура не влияет на растепление грунтов в основании фундаментов за 4 месяца.

Сравнение температур по данным мониторинга и результатам расчета показывают незначительное расхождение.

Литература:

  1. Цытович, Н. А. Механика мерзлых грунтов / Н. А. Цытович — М.: Высшая школа, 1973.- 446 с;
  2. СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»;
  3. СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»;
  4. ГОСТ 25358–2020 «Грунты. Метод полевого определения температуры»;
  5. СанПиН 2.2.4.548–96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».
Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Ключевые слова
геотехнический мониторинг
многолетнемерзлые грунты
Frost 3D
Молодой учёный №20 (415) май 2022 г.
Скачать часть журнала с этой статьей(стр. 29-40):
Часть 1 (стр. 1-71)
Расположение в файле:
стр. 1стр. 29-40стр. 71

Молодой учёный