Теплотехнический расчет свайного фундамента на вечномерзлых грунтах

Цитирование: Назиров Р. А. Теплотехнический расчет свайного фундамента на вечномерзлых грунтах / Р. А. Назиров, A. М. Жжоных, П. Ю. Веде, А. Г. Андюсева // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2023, 16(5). С. 535–541. EDN: BIVCAK ство зданий в г. Норильске, получивших повреждения в последние 10 лет, оказалось выше, чем за предшествующие 50 лет. Эти изменения можно сопоставить с имевшими место изменениями температуры воздуха в криолитозоне России, региональные особенности которых рассмотрены в ряде работ [5].

В исследовании [6] видим, что натурные измерения температур для 48 жилых зданий в Норильске показали прогрессивную деградацию вечномерзлых грунтов основания в 70 % случаев.

С другой стороны, авторы работы [7] на основании анализа собственных расчетов делают вывод о «сохранении вечной мерзлоты даже при негативном сценарии потепления климата». Также в исследовании [8] отмечается, что, несмотря на процессы повышения температуры грунтов основания в криолитозоне и соответствующее сокращение их несущей способности, деформации фундаментов и нарушения инфраструктуры во многом связаны с неправильной эксплуатацией как самих зданий, так и городских сетей, протечки на которых приводят к быстрому растеплению грунтов и значительным деформациям и разрушениям.

Таким образом, актуальной представляется задача выявления причин потери устойчивости эксплуатируемых зданий, возведенных по первому принципу на свайных фундаментах.

Основной целью работы являлась расчетная оценка температурного режима грунта под подошвой свай с учетом основных требований строительных правил и результатов последних исследований.

Методы

В качестве расчетного объекта принято свайное поле жилого дома в г. Норильске и грунт «свободный от фундамента» с теми же геологическими условиями. Моделирование осуществлялось с применением численных методов. Температурные распределения в среде описываются уравнением теплопроводности:

dT э

= f(j,f),                                                       (1)

dt где a - коэффициент температуропроводности, м2/с; T- температура в точке r в момент времени t, K; f(r, t) – функция источников тепла.

Начальные температуры областей заданы согласно мониторинговым данным. На поверхности грунта и фундамента задавалось граничное условие 3-го рода:

9„_Ов = Wext - П                                            (2)

где h - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²\К); Text - температура наружного/внутреннего воздуха, K.

В качестве наружных температур применялся годовой ход температур в г. Норильске (рис. 1). Температура внутри помещения и коэффициенты теплоотдачи приняты согласно строительным нормам.

Сопоставлением получаемого температурного градиента по глубине грунта с натурными данными мониторинга в г. Норильске была определена величина теплового потока из недр на глубине 23 м. В дальнейших расчетах это значение принято в качестве граничного условия 2-го рода.

Рис. 1. Среднемесячные температуры в г. Норильске (СП 131.13330.2020)

Fig. 1. Average monthly temperatures in Norilsk (SP 131.13330.2020)

Для учета фазового состояния влаги в грунте характеристики материалов задавались как функциональные зависимости от температур. Коэффициенты теплопроводности грунтов, Вт/ (м·К):

Л = if у < -О^П.Л^Лг),                                  (3)

где λ ₁ и λ ₂ – коэффициенты теплопроводности грунтов в мерзлом и талом состоянии соответственно, Вт/(м·К).

Удельные теплоемкости грунтов, Дж/(кг·К):

C_m = if(T<-0,2[°C],C_ml,C_m2),                                  (4)

где C_m1 и C_m2 – удельные теплоемкости грунтов в мерзлом и талом состоянии соответственно, Дж/(кг·К).

Сопротивление теплопередаче снега, R_s , м²·К/Вт, задавалось как теплоотдача поверхности грунта в зависимости от среднемесячных высот снегового покрова в г. Норильске:

1/R_S = h(b(t)y                                                      (5)

где b – высота снежного покрова, м.

Предполагается, что в долгосрочном периоде скрытая теплота фазового перехода будет давать только эффект небольшого увеличения тепловой инерции массива грунта и не будет влиять на общий тренд средних температур. В этой связи теплота фазового перехода в модели не учитывалась.

Результаты и обсуждение

В результате расчета получены распределения температур в основании и свайном фундаменте в течение 10 лет.

На рис. 3 представлены температуры на десятый год эксплуатации по свае в центре свайного поля и по «свободному» грунту вдали от свайного поля. За счет отрицательной среднего- – 538 –

Рис. 2. Распределение температур в грунте и в свайном фундаменте в январе 10-го года эксплуатации, °C

Fig. 2. Temperature distribution in the soil and in the pile foundations in January of the 10th year of operation, °C

Рис. 3. Среднемесячные распределения температур по глубине грунта и сваи в течение 10-го года

Fig. 3. Monthly average temperature distribution in the soil and in the pile during year 10

довой температуры воздуха в регионе (– 9,7 °C) температура на глубине грунта также сохраняется отрицательной, что коррелирует с исследованием [7]. Кроме того, на графике видно, что наличие сваи в грунте снижает его температуру. Это в том числе обусловлено более высокой теплопроводностью железобетона.

На графике видно, что температура под подошвой свай ниже температуры «свободного» грунта более чем на 1,0 °C.

На рис. 4 представлены средние температуры на глубине 18 м в течение 10 лет. Здесь температура грунта, как «свободного», так и под свайным полем, снижается при вхождении модели в квазистационарное состояние.

Рис. 4. Средняя температура за расчетный период на глубине 18 м

Fig. 4. Soil and the pile average temperature over the design period at a depth of 18 m

Таким образом, можно сделать вывод, что устройство конструкции свайного фундамента при принятых к расчету характеристиках грунта и граничных условиях способствует снижению температуры грунтового основания и, как следствие, его стабилизации. Растепления многолетнемерзлых грунтов, вызываемого фундаментом здания, расчетом не установлено.

Основными факторами, влияющими на изменение температурного поля под подошвой свайного фундамента, являются коэффициенты конвективной теплоотдачи от окружающего воздуха к поверхности строительных конструкций и грунта, температуры в подвальном помещении, которые могут регулироваться реализацией строительно-технических мероприятий и правилами эксплуатации подвальных помещений.

Возможная потеря устойчивости зданий может быть обусловлена в первую очередь деятельностью людей: изменением окружающего ландшафта, связанного со строительством новых зданий; отсутствием аварийных стоков систем водоснабжения и водоотведения в подвальных помещениях; уменьшением проветриваемости последних и другими факторами неправильной эксплуатации зданий.

Заключение

В работе был произведен численный расчет температурных полей основания свайного фундамента на многолетнемерзлых грунтах. Расчетом установленно, что свайный фундамент не способствует растеплению вечной мерзлоты. Для гарантированного обеспечения несущей способности оснований рекомендуется снижение температуры в подпольном пространстве при среднемесячных положительных температурах наружного воздуха.