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



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.

Рис. 1. Схема расположения рассматриваемых термометрических скважин

Деталь установки термометрической скважины представлена на рис. 2.

Рис. 2. Деталь установки термометрической трубки (ТТ)

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

Рис. 3. Разрез по фундаментам

Общий вид расчетной модели представлен на рис. 4.

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 —

.

2. 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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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.

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».