В статье исследовались изменения температурного режима грунтового массива мерзлого грунта при неравномерной инсоляции. Был произведен расчет в программном комплексе Plaxis 2D, для моделирования распределения температур в толще грунта.
Ключевые слова: мерзлые грунты, солнечная инсоляция, солнечная радиация, численное моделирование, неравномерное оттаивание.
Реологическое поведение мерзлых грунтов зависит от ряда важных факторов в комплексе. Температура грунта в течение длительного времени, его напряжения уплотнения и переуплотнения в толще, химический состав — это лишь малая часть, что необходимо учитывать при анализе поведения грунта.
Проанализировав опыт проектирования, можно сделать вывод, что главная трудность в правильном подсчете деформационных характеристик грунта является — температурные данные, необходимые для условий задачи, находятся на большом расстоянии от площадки строительства, а также отсутствие баз данных по разнице температур с солнечной стороны и теневой.
Солнечная радиация — самый мощный источник энергии на планете, который оказывает существенное влияние на нагрев территории. Ее распространение главным образом зависит от географического расположения, времени года, типа местности и рельефа. Поэтому, при строительстве, одним из основных критериев расположения здания по сторонам света, является наибольшее поступление солнечного света в помещения, что усиливает изменение физико-механических свойств грунта. Неравномерном распределении температур на поверхности, является последствием образования теневой и солнечной стороны по контуру здания или сооружения.
Целью данной работы является исследование влияния солнечной радиации на неравномерность осадок сооружений и зданий по периметру.
Оттаивание и промерзание, а вследствие этого и морозное пучение — основные проблемы при строительстве в районах с постоянным движением границы (или зоны) кристаллизации поровой влаги.
Южные районы криолитозоны характеризуются высокой степенью инсоляции. Для зданий и сооружений этих районов характерны затенение ориентированных на север сторон, и наоборот, нагревание южных частей объектов. Охлаждение затененных сторон сооружений ведет к дополнительному промерзанию грунта, а нагрев — к протаиванию основания. Такое изменение температур будет вести к разнонаправленным деформациям оснований и фундаментов сооружений, что может быть опасным для состояния объектов.
Из практики можно выделить яркий пример влияния солнечной радиации на разность осадок по контуру здания. Рассмотрим обследование каркасного здания на свайных фундаментах в Ямало-Ненецком Автономном округе, производимые И. И. Сахаровым и М. В. Парамоновым. К моменту обследования, спустя 8 лет после начала эксплуатации, некоторые фундаменты с северо-восточной части получили осадку более 19 мм, при этом разность осадок превышала 0,018 м, что не удовлетворяет условиям максимально допустимым осадкам и разности осадок. Полученные деформации привели к осадкам и просадкам пола подвала (Рис.1), трещинообразованию и разрушению стен (Рис.2) и металлических балок. Была замечена закономерность, что в части, где солнечная радиация попадала в большем объёме осадка фундамента превосходила. [3]
Рис. 1. Просадка перекрытия
Рис. 2. Осадка перегородки
Применяемые в настоящее время методы расчета формирования температурного режима можно разделить на две категории — приближенные и численные, с более детальной проработкой принятия конструктивных решений.
Методы и уравнения, разработанные Кудрявцевым В. А. представляют собой эмпирические зависимости влияния различных природных факторов на формирование температуры грунта и описываются уравнением:
где
В качестве величины радиационной поправки принимают разницу температуры воздуха
где
Как видим из уравнений, расчет ведется по усреднённым зависимостям, без ориентации по сторонам света. Также и в численных методах расчета, не используется влияние изменения температуры грунта в теневой и солнечной стороне, берутся усреднённые значения температур за месяц.
Для проведения эксперимента было выбрано два участка на северо-западной территории Архангельской области. Первый участок находился на южной стороне рассматриваемого объекта. Второй, на северной стороне с максимально возможной теневой областью. Для определения места установки датчиков были выполнены расчеты в программе Shadow Calculator. Программа дает длину вертикальной тени объекта за указанный день по географическим координатам, с использованием алгоритма положения солнца. Определены области максимального и минимального влияния солнечной радиации в 8 утра и 18 часов вечера в летний период времени. (Рис. 3, Рис. 4).
Рис. 3. Расположение тени в 8 часов утра летнего сезона
Рис. 4. Расположение тени в 18 часов вечера летнего сезона
Полученные результаты, представленные на графике (Рис. 5). Результаты показывают, что в разный период времени, в солнечной и теневой стороне разница температур в осенне-летний период составляет 3–4 градуса. Что оказывает существенное влияние на распределение температуры в толще грунта.
Рис. 5. График распределения температур в солнечной и теневой стороне
По данным значениям была построена расчетная схема в программном комплексе Plaxis 2D для определения распределения температур в грунте при отрицательных температурах.
Рис. 6. Распределение температур в грунте
Из рис.6 видно, что распределение будет неравномерное, что может приводить к существенным деформациям зданий в период их эксплуатации. Для более детального определения разности температур необходимо собрать базу данных в различных частях районов вечной мерзлоты и вывести для каждой территории свою зависимость.
Выводы:
- Исследовалось изменение температурного режима грунтового массива мерзлого грунта под воздействием солнечной радиации.
- Был проведен натурный эксперимент, показывающий разность температур по сторонам света
- Расположение здания по сторонам света и его форма влияют на температуру основания в зоне застройки
- Результаты расчета показали неравномерное промерзание грунта при действии солнечной радиации, что может привести к неравномерным деформациям основания в случае пучения — оттаивания грунта.
- Детальные расчеты могут в дальнейшем повлиять на сокращение рисков и затрат на ремонтные работы от неравномерной деформации грунтового основания.
Литература:
1. Ершов Э. Д. Методы геокриологических исследований. — М.: Изд-во МГУ. 2004.
2. Кудрявцев С. А. Численные исследования теплофизических процессов в сезонно-мерзлых грунтах. Криосфера Земли. 2003. Т. IIX. — № 4. — С. 102
3. Кудрявцев С. А., Сахаров И. И., Парамонов В. Н. Промерзание и оттаивание грунтов практические примеры и конечноэлементные расчеты. — СПб.: Геореконструкция, 2014, 248
4. СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04–88. НИИОСП им. Н. М. Герсеванова. М., 2012.
5. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов. М., Стройиздат, 1973, 191 с.
