Моделирование динамики состояния основания при реализации проектных решений по строительству

По данным изысканий площадка ДКС-2 В характеризуется сложными инженерно-геологическими условиями, и, исходя из геокриологических характеристик площадки, грунты в качестве оснований могут быть использованы как по I, так и по II принципу СНиП 2.02.04−88.

Моделирование поведения оснований здания проведено для строительства сооружения по II принципу (с сохранением талого грунта основания) в несколько этапов:

• 1. геологический прогноз по реконструкции «нулевого цикла» ДКС-2 В УГКМ;
• 2. расчет двухмерного нестационарного температурного поля грунтов сооружения, построенного по II принципу без применения конструктивных решений, на стадии эксплуатации;
• 3. расчет двухмерного нестационарного температурного поля с предварительным протаиванием мерзлых грунтов греющим кабелем;
• 4. расчет двухмерного нестационарного температурного поля сооружения, построенного с использованием теплоизоляционного покрытия, на стадии эксплуатации.

На первом этапе по материалам инженерно-геологических изысканий и параметров окружающей среды (метеорологическая станция г. Уренгой) была сформулирована одномерная нестационарная задача Стефана в анизотропной среде.

Расчетная область представляет собой часть инженерно-геологического разреза грунтов оснований ДКС размерами 150×50 м. Граничные условия на поверхности земли определялись среднемесячной температурой воздуха и среднемесячными значениями высоты снежного покрова и плотности снега. На нижней и боковой границах расчетной области закладывали условия нулевого теплообмена (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Исходное температурное поле грунта на момент проведения изысканий (01.02.1999г.)

Рис. 6.2 Расчетное температурное поле грунтов (01.02.2010г.)

Результаты решения первой одномерной задачи позволяют определить корректность использования материалов инженерно-геологических изысканий для постановки задачи при сравнении фактического температурного поля на момент наблюдений с прогнозным.

Моделирование на первом этапе показало (рис. 6.2), что расчетное температурное поле качественно совпадает с исходным температурным полем на момент изысканий (линза талых грунтов в интервале глубин 4−11 м сохраняется до 2010 г.), что свидетельствует о корректности использования фактических данных. Незначительные изменения температурных условий на глубине до двух метров можно объяснить отличием фактических условий теплообмена с приповерхностным слоем атмосферы на площадке размещения ДКС от результатов метеорологических наблюдений, что объясняется удаленностью расположения ДКС от площадки метеонаблюдений. Таким образом, для проведения расчета двухмерного нестационарного температурного поля грунтов на стадии эксплуатации можно принять за исходные значения температур грунтов, полученных на первом этапе.

На втором этапе расчетная область представляет собой часть инженерно-геологического разреза площадки ДКС. Размеры расчетной области 150×50 м. Граничные условия на поверхности грунта вне здания и дороги (в 10 м от здания) были заданы аналогично первому этапу. Под дорогой при постановке граничных условий учитывалась ее расчистка от снега (меньшая мощность снежного покрова). Под зданием граничные условия устанавливались рода 3R со среднемесячными температурами внешней среды (15?С) и термическим сопротивлением пола здания (0,16 м?· ?С/Вт). На нижней и боковой границах расчетной области задавались условия нулевого теплообмена. За начальный момент расчета выбран октябрь 2000 г.

Результаты моделирования показывают (рис. 6.3), что при строительстве объекта ДКС-2 В УКГМ по II принципу происходит постепенное протаивание грунтов основания под сооружением. И при эксплуатации здания сроком на 25 лет процесс деградации мерзлых грунтов не прекращается.

Результаты моделирования показали, что при строительстве объекта ДКС-2 В УКГМ по II принципу происходит постепенное протаивание грунтов основания под сооружением. И при эксплуатации здания сроком на 25 лет процесс деградации мерзлых грунтов не прекращается. Таким образом, без принятия дополнительных мер по изоляции теплового потока от здания, может произойти повышение температуры грунтов основания вплоть до формирования ареола оттаивания.

Рис. 6.3 Прогнозное температурное поле при эксплуатации здания сроком на 25 лет

С учетом результатов второго этапа моделирования было выбрано решение — предварительное протаивание мерзлых грунтов с использованием греющего кабеля. Кабель прокладывается в пределах проектируемого сооружения на глубине 80 см через 5 м. Греющие устройства работают с сентября по апрель, плотность теплового потока 250 Вт/м?. Расчетная область аналогична расчетной области на первом этапе.

Результаты моделирования показали (рис. 6.4), что к концу расчетного периода происходит протаивание мерзлых грунтов до талой линзы в интервале 4−11 м.

Рис. 6.4 Прогнозное температурное поле грунтов после применения греющего кабеля с сентября по апрель

По результатам третьего этапа проведен расчет двухмерного нестационарного температурного поля на стадии эксплуатации с применением конструктивных решений. Теплоизолятором под зданием выбран пеноплекс толщиной 60 см и с термическим сопротивлением 20 м?· ?С/Вт. Расчетная область аналогична области на втором этапе.

В итоге, при выбранном термическом сопротивлении пеноплекса (20 м?· ?С/Вт) за 25 лет эксплуатации здания происходит протаивание мерзлых грунтов до 3 м (рис. 6.5). По результатам инженерно-геологических изысканий пески среднезернистые (влажность 20%, льдистость < 0,03 д.е.) относятся к практически непучинистым. Таким образом, деформаций здания при частичном протаивании верхней кровли мерзлых пород не произойдет.

Рис. 6.5 Прогнозное температурное поле грунтов на стадии эксплуатации с применением теплоизоляционного покрытия

Результаты моделирования динамики теплового состояния основания сооружения ДКС-2 В УКГМ показывают, что при строительстве объекта по II принципу происходит протаивание грунтов основания под сооружением. Таким образом, без принятия дополнительных мер по теплоизоляции грунтов основания в пределах здания, тепловой поток может достичь заглубленной кровли мерзлых пород и привести к деформации сооружения.