Предложены технические решения оснований и фундаментов зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах, запроектированных с использованием программного комплекса моделирования процессов тепло- влагопереноса в грунтах методом тепловых и гидравлических сопротивлений.

ДУГИНОВ
ЛЕОНИД АЛЕКСАНДРОВИЧ     

    Главный специалист отдела термостабилизации, инженерной защиты и мониторинга ОАО "Фндаментпроект" (Москва, Россия).
    Основные направления научной деятельности - основания и фундаменты на мерзлых грунтах, теплотехнические расчеты.
     Автор 12 опубликованных работ, в том числе двух монографий и 39 патентов.

КУТВИЦКАЯ
НАТАЛЬЯ БОРИСОВНА

    Кандидат технических наук, главный инженер отдела термостабилизации, инженерной защиты и мониторинга ОАО "Фндаментпроект", член академии "Северный форум", почетный строитель РФ (Москва, Россия).
    Основные направления научной деятельности - строительство оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах, инженерная защита территорий от развития опасных мерзлотно-геологических процессов, геотехнический мониторинг.
    Автор более 100 опубликованных работ и 18 патентов.

МАГОМЕДГАДЖИЕВА
МУМИНАТ АБДУЛЛАЕВНА

    Кандидат геолого-минералогических наук, главный специалист отдела термостабилизации, инженерной защиты и мониторинга ОАО "Фундаментпроект" (Москва, Россия).
    Основные направления научной деятельности - строительство оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах, геотехнический мониторинг.
    Автор 28 опубликованных работ.

МЕЛЬНИКОВА
ЕВГЕНИЯ АНАТОЛЬЕВНА

    Руководитель группы отдела термостабилизации, инженерной защиты и мониторинга ОАО " Фундаментпроект" (Москва, Россия).
    Основные направления научной деятельности - основания и фундаменты на мерзлых грунтах, теплотехнические расчеты.
    Автор четырех опубликованных работ.

РОЗОВСКИЙ
МИХАИЛ ХАИМОВИЧ

    Главный специалист отдела термостабилизации, инженерной защиты и мониторинга ОАО " Фундаментпроект" (Москва, Россия).
    Основные направления научной деятельности -
основания и фундаменты на мерзлых грунтах, теплотехнические расчеты.
    Автор 14 опубликованных работ и двух патентов.

    Проектирование сложных сооружений, уникальных как по параметрам (значительные размеры в плане, высокие нагрузки, заглубленные, тепловыделяющие), так и условиям эксплуатации (неблагоприятные природно­-климатические, инженерно-геокриологичес-кие и гидрогеологические условия северных регионов), требуют комплексного подхода. В таких условиях необходимо учитывать не только тепловое взаимодействие сооружения с окружающим мерзлым грунтовым массивом, но и сопутствующие процессы: излучение и движение воздуха в вентилируемых подпольях сооружений; фазовые переходы "лед-вода" и "вода­-пар" для факельных установок; фильтрация в талых слоях грунтов в основаниях застраиваемых площадок и сооружений или грунтовых плотинах (дамбах).

    В существующих программах математического моделирования прогноза динамики температурного режима грунтов ("Прогноз", "Тепло", "Тундра", "Термостаб", "Фрост" и т.д.) в основном учитывается: только тепловая составляющая.

    Авторами разработан программный комплекс "ТГ-Норд" [1], позволяющий проводить комплексный расчет, моделировать реальные физические процессы, протекающие в грунтах, в том числе, испарение и фильтрацию, и на любом этапе расчета вводить источники и стоки тепла различной конфигурации и природы. Целесообразность применения комплекса обусловлена его широкими возможностями, в числе которых моделирование процессов тепло- и массопереноса в единой системе. Методика математического моделирования, основанная: на моделях тепловых и гидравлических сопротивлений, приведена в работе [2].

    Расчетная модель позволяет учитывать наличие в основании сооружений как "активных" конструктивных элементов (трубопроводов,

© Л.А. Дугинов, Н.Б. Кутвицкая, М.А. Магомедгаджиева, Е.А. Мельникова, М.Х. Розовский, 2013  

Рис. 1. Зависимость глубин оттаивания грунтов в
основании факельной установки без учета и с учетом процесса парообразования и применения теплозащитного экрана:
1 - без учета парообразования; 2 - с учетом; 3 - при применении пеностекла

ние результатов прогнозных теплотехнических расчетов по взаимодействию системы "факельная установка -грунты основания", проведенных с учетом интенсивности излучения при горении факела и процессов испарения в грунтах и без их учета.

    При моделировании рассмотрена факельная установка с режимом работы: 1-й год непрерывно, затем 10 сут. ежегодно в течение всего периода эксплуатации (30 лет). В режиме горения температура на поверхности у основания факельного ствола составляет 200°C. Геологический разрез в основании факельной установки, принятый в расчете, представлен многолетнемерзлыми грунтами сливающегося типа, в том числе переслаиванием песков и суглинков. Температура грунтов на глубине годовых нулевых амплитуд задана равной минус 1,4°С.

нагревательных или охлаждающих устройств, в том числе, термостабилизаторов и нагревательных кабелей, отепляющих фильтрационных потоков, источников теплового излучения), так и "пассивных", не вносящих в основание дополнительных тепловых потоков (фундаменты, сваи, теплоизолирующие прослои и др.). Эти элементы, а также поверхности и границы расчетных областей могут иметь произвольную конфигурацию и различные условия теплообмена. В качестве граничных условий может за­ даваться реальный рельеф местности и конфигурация подземных частей сооружений, а так­ же параметры источников и стоков тепла и другие особенности оснований. В расчетах так­ же учитывается весь комплекс климатических условий (динамика температуры, направлений и скорости наружного воздуха, снегоотложений, дождевых осадков).
    Эффективность и необходимость использования при проектировании оснований расчетного комплекса показаны на ряде нижеприведенных примеров технических решений.
    Взаимодействие системы "факельная установка - грунты основания" в существующих программах теплотехнических расчетов про­ изводится только с учетом изменения влажности грунта при фазовом переходе "лед-вода". Однако при температуре на поверхности грунта свыше l00°C обязателен учет фазовых переходов "вода-пар". Программный комплекс "ТГ-Норд" позволяет учитывать переходы "лед-вода-пар", а также высоту факельной установки, размер пламени и температуру горения, интенсивность излучения, температуру, скорость и направление ветра.
    Для оценки процессов парообразования в оттаивающих грунтах выполнено сопоставле-

    На рис. 1 приведены графики динамки и глубины оттаивания грунтов вблизи факельной установки с большим расходом газа на сжигание и, следовательно, высокой температурой на поверхности грунта, из которого следует, что без учета испарения глубина чаши оттаивания грунта на 10 м больше, чем с учетом парообразования.
    Таким образом, при высоких температурах на поверхности грунтов процессы парообразования существенно влияют на глубину оттаивания и распределение температуры в массиве грунта. При разработке технических решений, связанных с обеспечением устойчивости сооружений, в частности, оснований и фундаментов факельной установки и окружающих ее сооружений, расчеты должны выполняться с учетом процессов излучения от факела и парообразования в грунтах.
    Для рассмотренного примера в качестве мероприятия по обеспечению устойчивости факельной установки достаточно предусмотреть теплозащитный экран из жаростойких материалов, например, из пеностекла толщиной 0,5 м (см. рис. 1).
    При прогнозных расчетах температурного режима многолетнемерзлых грунтов основания грунтовой плотины необходимо совместное решение тепловой и гидродинамической задач с учетом влияния фильтрационного напорного потока.
    В качестве примера рассмотрена плотина на ручье Певек, которая эксплуатируется с 1969 г. Ширина долины на участке размещения плотины 500...550 м, ширина плотины по гребню 14...21 м, максимальный напор 22,5 м. Поперечный профиль долины ассиметричен - левый склон круче правого, крутизна склонов не превышает 10°. Основание плотины на рассматри-

Рис. 2. Температурное поле грунтов плотины (нача­ло расчета)

Рис. 4. Температурное поле грунтов плотины после 10 лет эксплуатации при расчете с учетов фильтрационного потока

Рис. 3. Температурное поле грунтов плотины после 10 лет эксплуатации при расчете без учета фильтрационного потока

Рис. 5. Температурное поле грунтов плотины после 10 лет эксплуатации с учетом фильтрации при применении льдогрунтовой противофильтрационной завесы

    В данном случае оптимальным техническим решением было бы создание льдогрунтовой противофильтрационной завесы с помощью сезоннодействующих охлаждающих устройств, позволяющих исключить фильтрацию из водохранилища не только через тело плотины, но и под ее основанием.
    Результат прогнозного теплогидравлического расчета режима эксплуатации плотины с льдогрунтовой противофильтрационной мерзлотной завесой высотой 15 м приведен на рис. 5, из которого следует, что при эксплуатации плотины толща мерзлого слоя грунта сохраняется со средней эквивалентной температурой не выше минус 2°С и толщиной завесы 6 м.
    Взаимодействие зданий и сооружений с
мерзлыми грунтами основания, которые необходимо сохранить в мерзлом состоянии на весь период эксплуатации с помощью вентилируемого подполья, определяется температурой и скоростью движения наружного воздуха в подполье в зимний период.
    Методика расчета температурного режима вентилируемого подполья, изложенная в [3], не предусматривает учета потерь напора (скорости) и температуры воздуха в пространстве подполья от местных сопротивлений: ростверков; конденсаторов термостабилизаторов; на входах и выходах наружного воздуха в подполье.

    Существенное влияние также оказывают: ориентация здания по сторонам света и роза вет­ров района строительства (по месяцам); соседние здания (высоты, дистанции), а также тепловыделения от сезоннодействующих охлаждающих устройств, установленных в пространстве подполья. Кроме того, при расчете по методике [3] невозможно выполнить расчет для зданий значительных размеров в плане шири­ной больше 24 м. К тому же, рассчитать воз­можно только средне- зимние и летние значения температур в стационарном режиме.
    Для аэродинамического расчета вентилируемого подполья сооружений Кутвицкой Н.Б. (1998 r.) была разработана методика расчета режима вентилирования подполья. Соответствие установившегося температурного и скоростного режима подполья, рассчитанное по предлагаемой методике, подтверждено натурными наблюдениями, например, за зданием крытого рынка размерами 100Х100м.кв. в Салехарде, которое эксплуатируется с 2001 r.
    На основе методики аэродинамического расчета авторами разработана расчетная программа "Аэровент", которая позволяет учесть все факторы, перечисленные выше.
    Для оценки влияния учета аэродинамических факторов в полном объеме при расчете теплового взаимодействия системы "здание­ вентилируемое подполье-грунты основания" по программе "Аэровент" рассчитано вентилируемое подполье под зданием спортивно-оздоровительного комплекса, расположенного на площадке обустройства Бованенковского месторождения, состоящего из трех зданий, примыкающих друг к другу (п-образная форма). Здания запроектированы с вентилируемым подпольем, закрытым цокольным ограждением из гофрированного профлиста для поступления наружного воздуха, в верхней части цоколя имеется щель. В подполье расположены конденсаторы термостабилизаторов и оголовки свай, расположенных с шагом ЗХЗ м. По данным мерзлотных инженерно-геологических изысканий площадка строительства сложена многолетнемерзлыми грунтами сливающегося типа, среднегодовая температура Т на глубине

0 м составляет -2,6...-3,б°С. По результатам аэродинамического расчета, представленным в таблице, видно, что температура и коэффициенты теплообмена в подполье существенно отличаются от этих же характеристик на прилегающей территории.
    Прогнозный аэродинамический и теплотехнический расчеты показали необходимость проведения мероприятий по термостабилизации грунтов основания, чего не требовалось по прогнозному теплотехническому расчету.

Выводы

    При проектировании оснований и фундаментов в сложных мерзлотно-грунтовых условиях недостаточно рассматривать только тепловое взаимодействие зданий и сооружений с многолетнемерзлыми грунтами. Обязательным является учет таких факторов как фильтрация в надмерзлотных талых грунтах, излучение нагретых элементов конструкций, аэродинамический режим в вентилируемом подполье, процессы парообразования в грунтах (при температурах более 10°С). С этой целью необходимо выполнять комплексные расчеты теплового взаимодействия зданий и сооружений с многолетнемерзлыми грунтами. Такой подход позволяет более точно оценить взаимодействие инженерного сооружения с вмещающими грунтами и выбрать оптимальные технические решения по обеспечению его устойчивости, надежности и экологической безопасности эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

    1. Кутвицкая Н.Б., Дугинов Л.А., Розовский М.Х., Рязанов А.В. Свидетельство о регистрации государственной программы для ЭВМ №2012612877. "Моделирование процессов тепло-влагопереноса в грунтах методом тепловых и гидравлических сопротивлений с учетом взаимодействия с процессами вентиляции и прогрева подполья надземных сооружений (программный комплекс ТГ-НОРд)", 2012.
    2. Кутвицкая Н.Б., Дугинов Л.А., Розовский М.Х. и др. Моделирование процессов тепло-влагопереноса в грунтах методом тепловых и гидравлических сопротивлений: Материалы четвертой конф. геокриологов России. - 2011. - Т. 2. - С. 261-267.
    3. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88.